Desenvolvimento de um Sistema Triaxial Servo-Controlado e Avaliação do Comportamento Mecânico de um Solo Residual de Biotita Gnaisse.

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1 Guilherme Roberto Slongo Desenvolvimento de um Sistema Triaxial Servo-Controlado e Avaliação do Comportamento Mecânico de um Solo Residual de Biotita Gnaisse. Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC- Rio. Orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos Rio de Janeiro, Setembro de 2008

2 Guilherme Roberto Slongo Desenvolvimento de um Sistema Triaxial Servo-Controlado e Avaliação do Comportamento Mecânico de um Solo Residual de Biotita Gnaisse. Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Tácio Mauro Pereira de Campos Orientador Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Prof.ª Michéle Dal Toé Casagrande Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Prof. Sérgio Tibana Departamento de Engenharia Civil - UENF Prof. George de Paula Bernardes Departamento de Engenharia Civil FEG/UNESP Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio Rio de Janeiro, 19 de Setembro de 2008

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Guilherme Roberto Slongo Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Paraná UFPR em Principal área de interesse: Mecânica dos Solos Não Saturados. Ficha Catalográfica Slongo, Guilherme Roberto Desenvolvimento de um sistema triaxial servocontrolado e avaliação do comportamento mecânico de um solo residual de Biotita Gnaisse / Guilherme Roberto Slongo ; orientador: Tácio Mauro Pereira de Campos f. : il.(color.) ; 30 cm Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Inclui bibliografia 1. Engenharia civil Teses. 2. Triaxial. 3. Solo residual. 4. Trajetória de tensões. 5. Eletronível. 6. Solos não saturados. I. Campos, Tácio Mauro Pereira de. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título. CDD: 624

4 "A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao seu tamanho original." (Albert Einstein)

5 Agradecimentos Primeiramente agradeço ao meu orientador Professor Tácio, pelo incentivo constante, pela ajuda, pela confiança e amizade. Agradeço todos os Professores da PUC-Rio que contribuíram com este trabalho em especial ao Professor Franklin pela dedicação e atenção. Ao Professor Araruna e sua esposa Débora que pela prontidão em ajudar. Ao Professor Luiz Gusmão pelo auxílio imprescindível com a instrumentação. Agradeço a todos do Laboratório que me auxiliaram em especial ao William por compartilhar de seu conhecimento e por sua amizade. Ao incentivo financeiro da PUC-Rio, CAPES, FAPERJ e do CNPq. Aos funcionários da PUC-Rio pela prestatividade. Á Rita e Fátima pela atenção e ao Marcel por sempre estar disposto a me auxiliar e pela amizade. Agradeço ao meu pai Edson por me ensinar a admirar a engenharia e por ser o exemplo de pessoa a quem desejo seguir. À minha mãe Rute, pelo amor, apoio e cumplicidade. Aos meus irmãos Daniela e Júnior pela preocupação e pelas palavras de motivação. Amo todos vocês. Á minha namorada Carla por sempre me incentivar e apoiar nesta jornada. Por ser a pessoa maravilhosa que é. Principalmente por seu amor. Te amo. Aos amigos que descobri no mestrado que tornaram esta caminhada mais fácil. E em especial a estas seis pessoas que admiro Elvídio, Bazan, Roberto, Lorena, Viviam e Jociléia.

6 Resumo Slongo, Guilherme Roberto; de Campos, Tácio Mauro Pereira; Desenvolvimento de um Sistema Triaxial Servo-Controlado e Avaliação do Comportamento Mecânico de um Solo Residual de Biotita Gnaisse. Rio de Janeiro. 142p. Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. A presente dissertação contemplou o estudo de propriedades mecânicas de um solo Residual Biotita Gnaisse do Alto Leblon (Município do Rio de Janeiro) e o desenvolvimento de um equipamento triaxial para ensaios não saturados. Para o estudo do comportamento mecânico foi desenvolvido um programa experimental que envolveu: (a) ensaios de caracterização física; (b) caracterização mineralógica através da difratometria de Raio-X, microscopia óptica e Microscopia Digital; (c) determinação de propriedades não saturadas através da curva característica determinada utilizando o método do papel filtro, porosimetria de mercúrio e análise digital de imagem; (d) parâmetro de resistência ao cisalhamento através de ensaios triaxiais convencionais e não convencionais com controle de trajetória de tensões na condição saturada; (e) análise dos Módulos Iniciais com a utilização de sensores para a medição de deformação externa e interna (Eletronível tipo Imperial College) e os efeitos das trajetórias de tensões sobre os Módulos Iniciais. O equipamento Triaxial desenvolvido para ensaios na condição parcialmente saturada está equipado com um sistema de medição de variação de volume total do corpo de prova o qual está baseado no princípio de vasos comunicantes aliado a uma balança de precisão. Visando eliminar o efeito de dilatação, a câmara triaxial foi desenvolvida utilizando o artifício da câmara dupla. O equipamento encontra-se montado, porém não houve a possibilidade de sua validação devido a atrasos no processo de importação de componentes referentes ao controle, aplicação de pressões e aquisição de dados. Palavras-chave Triaxial; solo residual; trajetória de tensões; eletronível; solos não saturados.

7 Abstract Slongo, Guilherme Roberto; de Campos, Tácio Mauro Pereira; Development of a Servo-Controlled Triaxial Equipament and Evaluation of Mechanical Behaviour of a Biotite-Gneiss Residual Soil. Rio de Janeiro. 142p. Msc. Dissertation Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. This dissertation presents a study of the mechanical properties of biotite gneiss residual soil found at Alto Leblon, Rio de Janeiro, and the development of a triaxial equipment for unsaturated soil testing. An experimental program has been created to study the mechanical behaviour of soil. The methodology proposed by this campaign is: (a) physical characterization tests; (b) mineralogical characterization by X-Ray difratometry tests, optical microscopy and digital microscopy analysis; (c) study of unsaturated properties based on its moisture retention curve which has been determined by using the filter paper method, the mercury intrusion porosimetry test and digital image analysis; (d) by obtaining shear strength parameter through conventional and unconventional triaxial tests using stress paths controlled at a saturated condition and; (e) by analyzing the Initial Modules using sensors to measure internal and external axial strain (Imperial College electrolevel) and to study the stress paths effects on Initial Modules. The triaxial equipment used in this research was specially developed for the study of unsaturated soils. It includes a system for measuring the total volume variation of the specimen. This system is based on the principle of communicating vessels and is associated with a precision balance. The triaxial chamber has been developed based upon the dual chamber principle to eliminate dilatation effects. The equipment has been set up, but its validation was not possible due to a delay in the importation process of control, pressure application and data acquisition components. Keywords Triaxial; residual soil; stress path; electrolevel; unsaturated soils.

8 Sumário 1 Introdução 18 2 Revisão Bibliográfica Solo Residual Solo Residual - Cimentação Solo Residual - Plastificação Teoria do Estado Crítico Superfície de Roscoe Superfície de Hvorslev Equipamentos Triaxiais Medição de Deformações Locais 38 3 Características da Área de Estudo Localização Clima Geoambiental Geomorfológico Vegetação Geologia Solos 48 4 Ensaios Realizados e Metodologias Empregadas Ensaios de Caracterização Caracterização Física Caracterização Mineralógica Microscopia Ótica Difração de Raio-X Características Não Saturadas 53

9 Curva de Retenção de Umidade Porosimetria de Mercúrio Microscopia Digital de Varredura (MDV) Ensaios Triaxiais Prensa Triaxial com Deformação Controlada Interface Ar/Água Medidor de Variação de Volume Câmara Triaxial Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante Controlador de Pressão Prensa Triaxial Eletromecânica Prensa Triaxial Tipo Bishop-Wesley com Tensão Controlada ou Deformação Controlada Interface Ar/Água Medidor de Variação de Volume Câmara triaxial Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante Controlador de Pressão Célula Triaxial Tipo Bishop-Wesley Eletroníveis Tipo Imperial College Procedimentos Iniciais e Materiais Utilizados Confecção dos Corpos de Prova Corpos de Prova Não Amolgados Corpos de Prova Amolgados Membranas Papel Filtro e Pedras Porosas Saturação das Linhas do Equipamento Triaxial Metodologia de Cálculo dos Ensaios Ensaio Triaxial com Deformação Controlada Ensaio Triaxial com Tensão Controlada 74 5 Caracterização do Solo Caracterização Geotécnica Índices Físicos Análise Granulométrica 75

10 Limites de Atterberg Característica Mineralógica Microscopia Ótica Difração de Raio-X Propriedades Não-Saturadas Curva de retenção de umidade Porosimetria de Mercúrio Microscopia Digital de Varredura, 86 6 Apresentação e Análise dos Resultados Ensaios Triaxiais Ensaios Triaxiais com Deformação Controlada Ensaios Consolidados Drenados Amostras Não Amolgadas Amostras Remoldadas Ensaios Consolidados Não Drenados (CIU) Ensaios Triaxiais Realizados com Controle de Tensões Ensaios Trajetória de Tensão Aumento de Poro-pressão Ensaios Trajetória de Tensão s Constante Determinação do Módulo Inicial Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados Drenados Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados Não Drenados Módulo Inicial para os Ensaios com Controle de Trajetória de Tensões Análise Conjunta dos Resultados Resistência Ensaios Drenados e Não Drenados Ensaios Drenados com Amostras Não Amolgadas e Remoldadas Ensaios com s Constante e Aumento

11 de Poro-Pressão (APP) Comparação com Solo Estruturado Módulo Inicial Efeito do Índice de Vazios Ensaios Drenados com Amostra Indeformada e Remoldada Ensaios com s Constante e Aplicação de Poro-Pressão (APP) Desenvolvimento de Equipamento Triaxial Não Saturado Descrição do Equipamento Câmara Triaxial Sistema de Medição de Variação de Volume Total Sistema de Aquisição de Dados e Controle Sistema de Aplicação de Pressões Instrumentação Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos Conclusões Sugestões para Futuros Trabalhos 137

12 Lista de Figuras Figura 2.1 Comportamento de solo com Cimentação (Vaughan et al, 1988). 24 Figura 2.2 Ensaio Triaxial em Rocha Calcária (Lagioia & Nova, 1995). 26 Figura 2.3 Superfície de Plastificação para Solos (a) Sedimentares (b) Residuais (Leroueil & Vaughan. 1990). 26 Figura 2.4 Pontos de Plastificação de Areia Carbonática Cimentada Artificialmente (Coop & Atkinson, 1993). 27 Figura 2.5 Representação Estado Crítico (Atkinson & Bransby, 1978). 28 Figura 2.6 Comportamento do Material ao Cisalhamento (Atkinson & Bransby, 1978). 29 Figura 2.8 Linha de estado crítico (Atkinson & Bransby, 1978). 31 Figura 2.9 Superfície de Roscoe (Atkinson & Bransby, 1978). 32 Figura 2.10 Resultados típicos de ensaios triaxiais convencionais drenados em amostras pré-adensadas (Wood, 1991). 33 Figura 2.11 Resultados em termos de trajetórias de tensões de um ensaio triaxial convencional drenado (Wood, 1991). 34 Figura 2.12 Ensaios Triaxiais em argilas pré-adensadas (Parry, 1960). 35 Figura 2.13 Superfície de Hvorslev (reta AB) e de Roscoe (linha BC) em conjunto com as linhas de estado críticos (ponto B) e alinha de compressão isotrópica (ponto C) (Parry, 1960). 35 Figura 2.14 Superfície de Roscoe e Hvorslev (Wood, 1991). 36 Figura 2.15 Esquema do equipamento de ensaios triaxiais para solos não saturados (Wheeler & Sivakumar, 1992). 38 Figura 2.16 Eletronível tipo Imperial College desenvolvido na PUC-Rio. 39 Figura 3.1 Imagem de Satélite (Fonte Google Earth). 40 Figura 3.2 Área de Estudo (Georreferenciamento). 41 Figura 3.3 Mapa Geoambiental. 43 Figura 3.4 Mapa Geomorfológico. 45 Figura 3.5 Vegetação Parque Nacional Dois Irmãos. 46

13 Figura 3.7 Mapa de Solos. 49 Figura 4.1 Difratômetro Siemens D 5000 e Interface do Software TOPAS da Bruker AXS. 53 Figura 4.2 Microscópio Óptico Zeiss AxioPlan 2IE. 58 Figura 4.3 Prensa Triaxial de Deformação Controlada - Wykeham Farrance WF Figura 4.4 Sistema de Aquisição de Dados Orion. 60 Figura 4.5 Câmara Triaxial. 62 Figura 4.6 Equipamento Triaxial com Tensão Controlada (Imperial College). 64 Figura 4.7 Prensa Pneumática (Imperial College). 68 Figura 4.8 Eletroníveis (Imperial College). 69 Figura 4.9 Abertura de Bloco para Moldagem. 71 Figura 4.10 Preparação de Corpo de Prova. 71 Figura 5.1 Distribuição Granulométrica. 76 Figura 5.3 Lâmina Petrográfica. 78 Figura 5.4 Lamina Petrográfica Ampliação do Detalhe na Fig Figura 5.5 Difratograma Material Retido na peneira Figura 5.6 Difratograma Material Retido na peneira Figura 5.7 Difratograma Material Retido na peneira Figura 5.8 Curva de retenção de umidade. 82 Figura 5.9 Curva Característica com ajustes. 84 Figura 5.10 Curva de Distribuição de Poros. 84 Figura 5.11 Curva de Distribuição de Poros 85 Figura 5.12 Curva característica Porosimetria de Mercúrio. 86 Figura 5.13 Lâmina Petrográfica Completa. 87 Figura 6.1 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Não amolgadas). 94 Figura 6.2 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Não amolgadas). 95 Figura 6.3 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados

14 em amostras Remoldadas). 96 Figura 6.4 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Remoldadas). 97 Figura 6.5 Comparação entre as curvas σd : εaxial com Δu : εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Não Drenados). 98 Figura 6.6 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Não Drenados). 99 Figura 6.7 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões). 101 Figura 6.8 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões). 102 Figura 6.9 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões s cte.). 103 Figura 6.10 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões s cte.). 104 Figura 6.11 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CD. 106 Figura 6.12 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CDR. 106 Figura 6.13 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CIU. 107 Figura 6.14 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios de descarregamento lateral. 108 Figura Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios com s constante. 108 Figura 6.16 Envoltória Única de Resistência. 109 Figura 6.17 Trajetória de Tensões dos Ensaios Drenados. 110 Figura 6.18 Trajetória de Tensões dos Ensaios s constante e APP. 112 Figura 6.19 Trajetória de Tensões Comparada com Estudos Anteriores. 113 Figura 6.20 Efeito do Índice de Vazios nos Módulos Iniciais. 115 Figura 6.21 Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados Remoldado e Indeformado. 116 Figura 6.22 Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados sob trajetória de tens. 117 Figura 7.1 Ciclo de Controle. 118 Figura 7.2 Equipamento Triaxial Não Saturado. 119

15 Figura 7.3 Visão Geral do Equipamento Triaxial para Ensaios Não Saturados. 121 Figura 7.4 Detalhe Câmara Dupla. 122 Figura 7.5 Acesso de tubulações a Câmara Triaxial. 124 Figura 7.6 Top cap e pedestal. 125 Figura 7.7 Conjunto Top Cap e Pedestal. 126 Figura 7.8 Sistema de Variação de Volume. 129 Figura 7.9 Reservatório em PVC. 129 Figura 7.10 Calibração do Sistema de Medição de Variação de Volume Total. 131 Figura 7.11 Calibração do Sistema de Medição de Variação de Volume. 131 Figura 7.12 Box (Controlador de Pressão). 132

16 Lista de Tabelas Tabela Características físicas típicas de solos residuais brasileiros (Sandroni, 1981). 22 Tabela 2.2 Revisão dos Equipamentos Triaxiais Desenvolvidos. 37 Tabela 5.1 Índices Físicos. 75 Tabela 5.2 Distribuição Granulométrica. 75 Tabela 5.4 Limites de Atterberg. 76 Tabela 5.5 Resultados da observação com a lupa binocular. 79 Tabela 5.6 Equação de Calibração do Papel Filtro. 82 Tabela 5.7 Equações de Ajuste para a Curva Característica. 83 Tabela 5.8 Valores dos Parâmetros de Ajuste (Curva Característica). 83 Tabela 5.9 Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros). 85 Tabela 5.10 Relação das Porosidades Através da Técnica de Microscopia Digital de Varredura. 87 Tabela 5.11 Porosidades Através das diferentes. 88 Tabela 6.1 Representação das nomenclaturas utilizadas 91 Tabela 6.2 Resumo das Propriedades dos Corpos de Prova. 92 Tabela 6.3 Relação de ensaios instrumentados com Eletronível. 104 Tabela 6.4 Valores dos Parâmetros de Resistência. 110 Tabela 6.5 Valores dos Parâmetros de Resistência APP. 112 Tabela 7.1 Relação de Acessos Câmara Triaxial. 123 Tabela 7.2 Relação de Materiais Utilizados para Calibração Prévia do MVVT. 130

17 Lista de Quadros Quadro 6.1 Organograma dos ensaios triaxiais realizados. 90 Quadro 7.1 Convenção das Linhas. 120

18 1 Introdução A presente pesquisa visou à análise do comportamento mecânico de um solo residual de Biotita Gnaisse proveniente do Parque Nacional Dois Irmãos, localizado no bairro Alto Leblon, Município do Rio de Janeiro, através de ensaios triaxiais na condição saturada. No âmbito desta pesquisa foi desenvolvido um equipamento triaxial para ensaios na condição não saturada com controle de sucção. O solo utilizado já havia sido objetivo de pesquisa em outras dissertações de mestrado do curso de Pós-Graduação da PUC-Rio e, portanto possui algumas características conhecidas. O comportamento mecânico foi estudado sob o aspecto de compressibilidade uni-dimensional e resistência ao cisalhamento em ensaios triaxiais na condição saturada por Oliveira (2000). O local escolhido para esta dissertação foi objetivo de pesquisa de Lima (1994), em um trabalho sobre caracterização química e mineralógica de perfis de alteração biotita Gnaisse. Neste trabalho Lima apresenta uma análise mineralógica do perfil. A escolha do solo utilizado na presente dissertação foi realizada em função de já existirem blocos armazenados na câmara úmida do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, não necessitando desprender tempo com amostragem, e por já haverem dados referentes ao comportamento mecânico na condição saturada. Sendo assim, foi visado no início das atividades de pesquisa o desenvolvimento de um equipamento triaxial para se realizar ensaios na condição parcialmente saturada, o que através da junção resultados resultaria na envoltória de resistência não saturada. Por outro lado, devido à longa permanência dos blocos na câmara úmida tomou-se o cuidado de repetir os ensaios de caracterização para avaliar uma possível variação das características do solo. Para tanto, foram determinadas inicialmente as propriedades Geotécnicas do solo compreendendo Índices físicos, Granulometria e Limites de Atterberg. A análise Mineralógica foi composta por dois métodos: Microscopia Ótica e Difração de Raio-X. Juntamente a estes ensaios, com intuito de caracterizar

19 19 algumas propriedades não saturadas, foram realizados ensaios de Porosimetria de Mercúrio, Microscopia Digital com processamento de imagem e Curva de Retenção de Água através do método do papel filtro. Ensaios triaxiais na condição saturada foram executados, visando à determinação, através do emprego de diferentes trajetórias de tensões, do comportamento mecânico quanto à cimentação e dos parâmetros de resistência. Foram também realizadas análises dos Módulos Iniciais provenientes das deformações axiais medidas utilizando-se transdutores de deslocamento externo (LSCDT) e interno (Eletronível tipo Imperial College). Em paralelo à caracterização mecânica do solo estudado, foi realizado o desenvolvimento de um equipamento triaxial, servo controlado, para ensaios na condição não saturada com controle de sucção. Ressalta-se que o equipamento encontra-se montado no aguardo do sistema de aquisição de dados, controle e instrumentação, visto que foram adquiridos, porém estão em tramite do processo de importação. Portanto a validação do equipamento não pode ser realizada dentro do tempo estipulado da presente dissertação.

20 2 Revisão Bibliográfica No presente Capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica, objetivando as seguintes temáticas: Solos residuais com relação à gênese e efeito da cimentação no comportamento mecânico do mesmo; Abordagem sobre a Teoria do Estado Crítico, relacionada ao comportamento de solos normalmente consolidados (resultando na Superfície de Roscoe), bem como solos pré-adensados (provendo a Superfície de Hvorslev); Comportamento de solos estruturados com ênfase na abordagem da superfície de plastificação e módulo de deformabilidade (influência da medição da deformação axial); Revisão sobre características básicas em equipamentos triaxiais Solo Residual Os solos residuais são formados a partir da decomposição das rochas pelo intemperismo químico, físico e biológico, e permanecem in situ, sem sofrer qualquer tipo de transporte. Processos físicos (alívio de tensões pela erosão, deformação por variação de temperatura e congelamento, e pressões de cristalização de sais depositados em fraturas) fragmentam a rocha, expondo novas superfícies ao ataque químico. Em conseqüência, a permeabilidade do material aumenta, possibilitando a percolação de fluidos quimicamente reativos. Processos químicos, sobretudo hidrólise e oxidação, alteram os minerais da rocha original para formar argilo-minerais mais estáveis (Mitchell, 1993). O intemperismo biológico inclui ambos, ação física (fendilhamento pela penetração de raízes) e ação química (oxidação bacteriológica, redução de ferro e compostos sulfúricos)

21 21 A gênese dos solos residuais pode decorrer do intemperismo de rochas ígneas, metamórficas ou sedimentares. O intemperismo químico e físico estão na maioria das vezes inter-relacionados, agindo em conjunto. As características destes solos, ou seja, sua composição mineralógica e granulométrica, estrutura e espessura, dependem do clima, relevo, tempo e tipo de rocha de origem. O clima exerce uma influência considerável no grau de intemperismo (Weinert, 1964, 1974; Morin e Ayetey, 1971). A ocorrência do intemperismo físico tem maior incidência sobre climas secos pois o intemperismo químico está diretamente condicionado pela disponibilidade de água e variações de temperatura. O relevo controla o grau de intemperismo, determinando a drenagem da água através da zona de intemperismo. Este também controla a idade efetiva do perfil pelo controle da velocidade de erosão do material intemperizado da superfície. Assim, um perfil residual mais espesso pode ser geralmente encontrado em vales e encostas suaves mais facilmente do que em terrenos altos ou em encostas íngremes (Morin e Ayetey, 1971). Segundo Vaughan (1988), o processo de intemperismo modifica a estrutura e as propriedades do solo independentemente da história de tensões. A gênese dos solos residuais apresenta uma dificuldade particular em relacionar a estrutura do solo com a sua história de tensões, pois ambos mudam continuamente. A estrutura resulta diretamente dos processos físicos e químicos no campo, os quais alteram a rocha matriz para formação do solo residual. As mudanças geoquímicas envolvidas na transformação da rocha em solo residual, segundo Vaughan e Kwan (1984), podem envolver vários fatores: - efeitos não químicos devido a mudanças na tensão efetiva, provenientes de ressecamento e inchamento, que podem ser cíclicos; - diminuição da resistência da rocha por alteração e remoção de material, acompanhado por perdas de massa, resistência, rigidez e por um aumento de porosidade; - aumento de volume sob tensão efetiva constante, caso o intemperismo produza minerais argílicos expansivos, e caso a perda de massa durante o intemperismo não venha a equilibrar a expansão destes minerais argílicos; O solo residual apresenta comportamento bastante diferenciado em relação aos solos sedimentares. O desenvolvimento de um modelo que generalize o comportamento dos solos residuais é muito dificultado pela heterogeneidade,

22 22 anisotropia e outras peculiaridades de ordem geológica. O comportamento deste tipo de solo está fortemente ligado à sua estrutura e características herdadas da rocha matriz. Quanto à história de tensões, de acordo com Vaughan e Kwan (1984), deve ocorrer descarregamento vertical durante o intemperismo, decorrente da perda de peso e devido à erosão superficial. Como o solo é continuamente modificado pelo intemperismo durante este descarregamento, o efeito de tensões prévias em sua estrutura deve ser minimizado ou removido. Deve-se ressaltar que a estrutura atual de um solo residual está em equilíbrio e é associada ao seu atual estado de tensão, e que o efeito de tensões anteriores, às quais ele foi submetido durante sua evolução, será pequeno. Devido ao processo de intemperismo, as partículas sólidas presentes são grãos minerais individuais ou aglomerados originados da rocha matriz, ou criados pelo intemperismo, com graus variados de alteração e enfraquecimento. Os solos residuais podem apresentar uma ampla faixa de porosidade, mesmo quando derivados de uma mesma rocha matriz. Na Tabela 2.1, estão reproduzidos valores típicos de densidade dos grãos e índice de vazios de solos residuais encontrados no Brasil. Tabela Características físicas típicas de solos residuais brasileiros (Sandroni, 1981). Rocha Matriz Densidade dos Grãos (G) Índice de Vazios (e) Gnaisse 2,60-2,80 0,3-1,1 Quartzito 2,65-2,75 0,5-0,9 Xisto 2,70-2,90 0,6-1,2 Filito e Ardósia 2,75-2,90 0,9-1,3 Basalto 2,80-3,20 1,2-2, Solo Residual - Cimentação Perante a mecânica dos solos clássica, a cimentação entre partículas não é levada em consideração, pois os modelos constitutivos clássicos foram

23 23 desenvolvidos para solos sedimentares não-cimentados provenientes do hemisfério norte, e envolvem conceitos de porosidade inicial e sua subseqüente modificação pela história de tensões. Atualmente se reconhece a existência de diversos materiais cimentados de ocorrência natural que não podem ter suas componentes de rigidez e resistência ao cisalhamento explicadas apenas pela relação entre porosidade inicial e a história de tensões (Vaughan, 1985, Vaughan, Maccarini e Mokhtarr, 1988, Leroueil e Vaughan, 1990). Vários pesquisadores (Leroueil e Vaughan, 1989; Vaughan, 1985; Vaughan et al 1988) consideram a presença de uma estrutura fracamente cimentada como uma feição dominante em solos residuais. Tal cimentação contribui para a resistência e rigidez destes solos. Estas cimentações podem ser quebradas pela deformação do solo durante o carregamento. Uma vez quebradas, tais ligações são irrecuperáveis, exceto pela escala de tempo dos processos geológicos que as criaram. A resistência dessas ligações é diferente da componente coesiva da resistência presente em argilas, a qual é devida a forças atrativas entre as partículas do solo sedimentar. Caso a densidade e arranjo das partículas sejam recuperados, a componente coesiva da resistência pode ser recuperada, pelo menos parcialmente. Segundo Leroueil e Vaughan (1990), a destruição progressiva das ligações entre as partículas dos solos estruturados pode ser decorrente principalmente por compressão, expansão, ação do intemperismo, fluência, fadiga ou cisalhamento, sendo as principais conseqüências da desestruturação a diminuição da rigidez do solo, a perda de resistência de pico e o decréscimo da tensão de escoamento na compressão. Vaughan et al. (1988) apresentou a Figura 2.1 como a representação no espaço índice de vazios x p da diferença de comportamento entre solos estruturados e não estruturados. A partir desta Figura o autor conclui que: Devido a um elevado índice de vazios decorrente da existência de cimentação, estes solos quando solicitados a altos graus de saturação irão mostrar um diminuição significativa de resistência; O fator que irá reger a localização do solo no espaço estruturado é a cimentação. O solo se manterá rígido até a fluência. A localização do ponto de fluência no gráfico dependerá da resistência da cimentação do solo;

24 24 Grandes deformações de compressão se desenvolvem quando a fluência ocorre no espaço para solo estruturado, o que depende do índice de vazios e da diferença no índice de vazios entre o ponto de fluência e a curva que limita o espaço permitido para que um solo estruturado possa existir. Figura 2.1 Comportamento de solo com Cimentação (Vaughan et al, 1988). Analisando a Figura 2.1 nota-se que durante a realização de ensaios edométricos em solos estruturados, quando a tensão vertical efetiva ultrapassa a tensão virtual de pré-adensamento ocorre uma mudança brusca de comportamento. Esta mudança de comportamento esta relacionada à ruptura da cimentação. O material, para maiores tensões verticais efetivas, tende a se aproximar da curva de compressão do material desestruturado. Esta tensão de préadensamento aparente é portanto um ponto de plastificação da estrutura no plano eo : log p.

25 Solo Residual - Plastificação Segundo Martins, 1994; Martins, 2001; Ferreira, 1998, nos solos que apresentam cimentação é possível também definir um ponto de plastificação no ensaio triaxial, quando há uma mudança significativa de deformabilidade na curva tensão-desvio versus deformação axial. Este ponto corresponde ao nível de tensão desviadora necessária para romper a estrutura. Logo, a forma da superfície de plastificação da estrutura pode ser identificada mediante uma combinação de ensaios edométricos e/ou triaxiais, com níveis de tensão efetiva inicial e/ou diversas trajetórias de tensões efetivas diferentes. Leroueil & Vaughan (1990) mostraram que a plastificação da estrutura pode aparecer como uma descontinuidade na curva tensão desvio versus deformação axial durante a aplicação de um carregamento monotônico no ensaio triaxial. Através de resultados de ensaios triaxiais convencionais realizados a altas pressões, em amostras de uma rocha branda calcárea, Lagioia & Nova (1995), mostraram que a plastificação da estrutura pode ser muito brusca (colapso). Segundo os referidos autores, durante o ensaio triaxial, a estrutura da rocha não consegue sustentar a tensão aplicada, rompendo a cimentação entre os grãos de uma forma brusca. O colapso foi evidenciado através da variação de volume de água da câmara triaxial. As curvas de q : εa, deste solo, apresentam um patamar bastante distinto, já as curvas de εv : εa apresentam, em seu primeiro trecho, uma variação linear, mostrando que o equipamento triaxial não consegue equalizar a tensão em um tempo suficientemente curto para a estabilização dessas deformações (Figura 2.2).

26 26 Figura 2.2 Ensaio Triaxial em Rocha Calcária (Lagioia & Nova, 1995). Conforme apresentado por Leroueil & Vaughan (1990), em argilas, a superfície de plastificação da estrutura no plano p : q é centrada na linha K0 normalmente adensada, devido à anisotropia do material, sendo que, para solos residuais e para rochas brandas, a superfície de plastificação da estrutura é centrada no eixo p, sugerindo que estes solos sejam isotrópicos (Figura 2.3). Figura 2.3 Superfície de Plastificação para Solos (a) Sedimentares (b) Residuais (Leroueil & Vaughan. 1990). Coop & Atkinson (1993), identificaram a localização do ponto de plastificação da estrutura para ensaios triaxiais convencionais, e para ensaios com p constante. A plastificação da estrutura pode ser verificada na curva de variação volumétrica para os ensaios de p constante e na curva tensão desvio versus

27 27 deformação axial para o ensaio triaxial convencional. Como é possível ser observado na Figura 2.4, para os dois tipos de ensaios (CD e p constante) a mudança de comportamento das envoltórias tensão desviadora versus deformação (i.e. plastificação) ocorre no mesmo ponto indicados pelas setas. Figura 2.4 Pontos de Plastificação de Areia Carbonática Cimentada Artificialmente (Coop & Atkinson, 1993) Teoria do Estado Crítico Na década de 1950, com o acúmulo da experiência sobre o comportamento de solos em ensaios de laboratório, foram formulados os primeiros modelos do estado crítico com base na teoria da plasticidade (Roscoe et al., 1958) e postulando-se a existência de uma superfície de estado limite. Através da análise dos resultados provenientes de uma série de ensaios triaxiais de compressão na condição drenada e não drenada realizados em amostras da argila, Parry (1960) plotou de maneira conjunta os pontos de ruptura de todos os ensaios e constatou a formação de uma reta simples que passa pela origem do plano q :p e respectivamente uma linha curva no espaço υ:p que acompanha o formato da curva de compressão normal (Figura 2.5).

28 28 Segundo Parry (1960) esta reta simples formada pelos pontos de ruptura para ambos os ensaios drenados e não drenados define a Linha de Estado Crítico. Esta é uma importante propriedade, pois as amostras inicialmente pré-adensadas irão à ruptura, independente da trajetória de tensão, quando o estado de tensão tocar a linha de estado crítico. A ruptura irá se manifestar como um estado em que as grandes deformações provenientes do cisalhamento ocorrem sem nenhuma alteração na tensão, ou no volume específico. Diz-se que um solo está em uma condição de estado crítico quando este tende a uma condição na qual deformações plásticas podem evoluir indefinidamente sem que haja mudanças em seu volume ou nas tensões efetivas aplicadas (ou em seu estado de tensões efetivas). O comportamento idealizado descrito a seguir é baseado em dados experimentais dados por Atkinson e Bransby (1978) e por Wood (1991). A partir das Figuras 2.5 e 2.6, a condição de estado crítico foi alcançada após deformações de pelo menos 10%, e está associada à situação na qual o estado residual, envolvendo orientação de partículas, ainda não foi alcançado. A representação do estado de orientação as partículas pode ser observado na Figura 2.6. As relações entre a tensão de cisalhamento, a tensão normal e os e o índice de vazios do solo em relação ao estado crítico são ilustrados na Figura 2.5. Figura 2.5 Representação Estado Crítico (Atkinson & Bransby, 1978).

29 29 Figura 2.6 Comportamento do Material ao Cisalhamento (Atkinson & Bransby, 1978). A Figura 2.7 (a) e (b) mostra a Linha de Estado Crítico (CSL). Isto mostra que, no estado crítico, não existe uma única relação entre a tensão de cisalhamento, a tensão normal e o índice de vazios. A Figura 2.7 (c) é equivalente à Figura 2.7 (b), porém com a tensão normal em escala logarítmica. Figura 2.7 Representação da Linha de estado Crítico (Atkinson & Bransby, 1978). O estado crítico pode ser expresso pelas equações que se seguem, onde o subscrito f da tensão e do índice de vazios se refere ao estado último de ruptura ou

30 30 estado crítico. Na Figura 2.7 (c) as linhas da compressão normal e do estado crítico são paralelas e ambas têm a mesma inclinação, C c. O parâmetro e Γ, define a posição da linha de estado crítico, do mesmo modo que e o define a posição da linha de compressão normal. A Equação (2.1) representa o critério de Mohr- Coulomb na ruptura sendo a coesão igual a zero (c '= 0) e Ø c o ângulo de atrito crítico. A linha de estado crítico mostrada na Figura 2.7 (c) está diretamente acima da linha de compressão normal mostrada na Figura 2.7. e τ ' = σ' tanφ' eq. 2.1 f f C c f c = e Γ logσ ' eq. 2.2 Ressalta-se que, no estado crítico, os solos continuam a distorcer (sofrer deformação cisalhante) sem qualquer alteração da tensão cisalhante ou tensão normal ou índice de vazios (está em constante estado de deformação) e os deslocamentos estão associados a escoamentos turbulentos. A característica essencial do estado crítico é que, durante o cisalhamento, todos os solos, em última análise, atingem o seu estado crítico (desde que o fluxo continue turbulento), sem que haja dependência do estado de tensão inicial. Assim, na Figura 2.7, a tensão cisalhante última ou crítica τ ' f é inicialmente a mesma para ambos os lados seco ou úmido da linha crítica, porque eles têm a mesma tensão normal efetiva, bem como o mesmo índice de vazios. A linha geral de estado crítico ilustrada na Figura 2.8 é uma idealização muito boa para representar o estado último ou crítico de areias e argilas. No entanto, para materiais com grãos maiores a variação de volume durante o adensamento e cisalhamento é muitas vezes acompanhada de ruptura dos grãos do solo, sendo então necessária a aplicação de grandes deformações para identificar por completo o comportamento. f

31 31 Figura 2.8 Linha de estado crítico (Atkinson & Bransby, 1978) Superfície de Roscoe Henkel (1960) realizou uma série de ensaios triaxiais convencionais (σh constante e σv crescente) e de compressão por descarregamento (σh constante e σv decrescente) com e sem drenagem. A partir dos dados obtidos com a realização de ensaios triaxiais drenados, este traçou no espaço σ a :σ 2 contornos de igual umidade (que no caso de solos saturados equivalem a contornos de igual volume) e os comparou com trajetórias de tensões seguidas durante a realização de ensaios não drenados. Os resultados estão representados na Figura 2.9. Nota-se que há uma concordância bastante acentuada entre estas isolinhas de umidade e as trajetórias de tensões obtidas de ensaios triaxiais não drenados. Diversos outros ensaios publicados levam às mesmas conclusões dos ensaios publicados por Henkel (1960), de modo que se pode dizer que existe para cada caso de solos normalmente adensados, uma superfície unindo a linha de compressão isotrópica à linha de estados críticos, a qual contém, com unicidade, as coordenadas p, q e υ, de modo independente da trajetória de tensões adotada. Esta superfície é denominada superfície de Roscoe.

32 32 Figura 2.9 Superfície de Roscoe (Atkinson & Bransby, 1978) Superfície de Hvorslev Em se tratando de solos pré-adensados, a Figura 2.10 apresenta resultados de ensaios de compressão isotrópica típicos, enquanto a Figura 2.11 apresenta resultados típicos de ensaios triaxiais drenados. Nota-se que a amostra, com uma tensão de confinamento de 34,5 kpa e uma razão de pré-adensamento de 24, apresenta um máximo valor de q, para valores de ε a de cerca de 9%. Com a continuada deformação da amostra o valor de q decresce, passando a apresentar valores que variam a taxas cada vez menores com ε a, tendendo à projeção da linha de estados críticos no espaço q x p ( q = Mp' ). O comportamento volumétrico do solo é também ilustrado nesta Figura. Conforme se pode notar, a amostra sofre uma pequena compressão inicial, passando a expandir com acréscimos de ε a. A taxa de expansão do solo, contudo, diminui com o processo de deformação contínuo da amostra.

33 33 Figura 2.10 Resultados típicos de ensaios triaxiais convencionais drenados em amostras pré-adensadas (Wood, 1991). Na Figura 2.11 está plotada a trajetória de tensões do solo em confronto com a projeção da linha de estado crítico do mesmo no espaço p :q. Nota-se que o corpo de prova ao ser cisalhado alcança pontos do espaço p :q:υ f cujas projeções no espaço p :q se situam acima da linha de estados críticos. Em analogia à Superfície de Roscoe, espera-se que somente o tamanho de tal superfície limite mude com mudanças de ν, não sua forma. Deste modo, é possível utilizar o conceito de tensão equivalente para escalar tensões e deste modo a permitir mudanças em ν. O referido método de escalar tensões foi adotado pela primeira vez por Hvorslev.

34 34 Figura 2.11 Resultados em termos de trajetórias de tensões de um ensaio triaxial convencional drenado (Wood, 1991). A Figura 2.12 representa uma série de ensaios triaxiais realizados por Parry (1960) em argilas pré-adensadas. Nota-se que os dados dos testes drenados e não drenados se situam em uma única linha no espaço q/p e, p /p e. Esta linha é limitada em seu lado direito pela interseção com o ponto que representa a linha de estados críticos, situado no topo da superfície de Roscoe. Considerando que o solo não apresenta resistência à tração, o maior valor de q/p que poderá ser observado deverá corresponder a σ 3 igual a zero. Então, para este triaxial convencional a localização dos pontos de ruptura pode ser idealizada como aquela correspondente à linha AB, da Figura 2.13.

35 35 Figura 2.12 Ensaios Triaxiais em argilas pré-adensadas (Parry, 1960). Figura 2.13 Superfície de Hvorslev (reta AB) e de Roscoe (linha BC) em conjunto com as linhas de estado críticos (ponto B) e alinha de compressão isotrópica (ponto C) (Parry, 1960). O estado úmido (normalmente adensado) se situa abaixo da superfície de Roscoe ou do estado limite, enquanto que o estado seco (pré-adensado) se situa abaixo da superfície de Hvorslev. O material pode então apresentar-se em qualquer estado situado abaixo ou sobre a superfície de estado crítico.

36 36 Figura 2.14 Superfície de Roscoe e Hvorslev (Wood, 1991) Equipamentos Triaxiais Diversos equipamentos triaxiais têm sido desenvolvidos nas últimas décadas, com os mais sofisticados sistemas de controle e processamento de dados. Entretanto, a concepção não difere muito da proposta por Bishop e Henkel na década de 60. Basicamente a diferença está na tecnologia empregada no tocante à automação dos ensaios. Estas alterações estão relacionadas aos sistemas de controle de aplicação de pressões, às instrumentações e à utilização de microcomputadores para servo controle. Na literatura é possível encontrarem descritos vários equipamentos triaxiais. Dentro dos que mais se destacam estão os desenvolvidos por: Andresen (1957); Bishop & Wesley (1975); Berre (1982); Menzies (1988); Romero et al. (1997); Wheeler & Sivakumar (1993); Tibana (1997); Bica (2004). A Tabela 2.2 apresenta as características dos equipamentos desenvolvidos pelos autores supracitados.

37 37 Tabela 2.2 Revisão dos Equipamentos Triaxiais Desenvolvidos. Autor Tipo de Controle Servo Controlado Condição de Saturação Andresen (1957) Deformação Não Saturado Bishop & Wesley (1975) Tensão Não Saturado Berre (1982) Deformação Não Saturado Menzies (1988) Tensão Parcialmente Saturado Romero et al. (1977) Tensão Sim Não Saturado Wheeler & Sivakumar (1992) Tensão Sim Não Saturado Tibana (1997) Tensão Sim Saturado Bica (2004) Tensão Sim Não Saturado O equipamento desenvolvido na presente dissertação, como poderá ser observado com mais detalhes no Capítulo 7, utiliza-se de vários conceitos que podem ser observados nos equipamentos concebidos pelos autores anteriormente citados (Tabela 2.2). A célula triaxial utilizada é do tipo Bishop & Wesley. No entanto, modificações foram necessárias para que o equipamento atende-se a realização de ensaios na condição não saturada. Para tanto, os equipamentos desenvolvidos por Romero et. al. (1977), Wheeler & Sivakumar (1992), Bica (2004) dentre outros foram observados com o intuito de colaborarem na concepção do projeto. O equipamento estudado que mais se assemelha ao desenvolvido é o de Wheeler & Sivakumar (1992). O qual caracteriza-se por ser um equipamento triaxial que possibilita o controle da trajetória de tensões e da sucção para ensaios em amostras compactadas (Figura 2.15). Neste equipamento, a sucção é controlada através de uma pressão de água aplicada à base do corpo de prova, por meio de uma pedra porosa de alta pressão de borbulhamento, e de uma pressão de ar comprimido aplicada ao topo do corpo de prova através de uma pedra porosa convencional. A pressão confinante, a pressão de água e a pressão de ar são controladas por um microcomputador através do controle de motores de passo conectados a reguladores de pressão de ar. Para a medição de variação volumétrica do corpo de prova, este equipamento utiliza uma câmara triaxial de

38 38 parede duplas, sendo que na câmara interna está conectado um transdutor de variação volumétrica do tipo Imperial College (de Campos, 1984), que determina a variação volumétrica total do corpo de prova. Outro transdutor de variação volumétrica mede a variação de volume da câmara externa. No entanto, diferenças poderão ser observadas no sistema de medição de variação de volume do corpo de prova. Figura 2.15 Esquema do equipamento de ensaios triaxiais para solos não saturados (Wheeler & Sivakumar, 1992) Medição de Deformações Locais Segundo Burland (1989), as deformações do solo em obras geotécnicas são geralmente inferiores a 5*10-3, excetuando-se certas obras em areias fofas e argilas moles. Daí a grande importância das medidas de deformação axial em um ensaio triaxial, menores do que esta ordem de grandeza, possibilitando a avaliação mais precisa dos parâmetros de deformabilidade de modelos constitutivos. Diversos modelos de transdutores de deslocamento para medição local de deformações têm sido desenvolvidos visando medir deformação axial e deformação radial. Transdutores locais de deformação axial são, normalmente, instalados aos pares, em posições diametralmente opostas, fixados diretamente ao corpo de prova ou colados na membrana. Para minimizar a influência das

39 39 restrições de deformação devidas ao atrito entre pedra-porosa/cabeçote, estes transdutores dever ser instalados no trecho médio do corpo de prova (Clayton e Khatrush, 1986). Dentre os principais tipos de transdutores de deslocamento axial referidos na literatura estão relacionados: LVDT submersível (Costa e Filho, 1985); eletronível (Burland e Symes, 1982); tipo pêndulo com extensômetros elétricos de resistência (Ackerly et al, 1987); tipo fita metálica com extensômetros de resistência (Goto et al, 1991) e tipo sensor de efeito hall (Clayton e Khatrush, 1986). Os transdutores de deslocamento axial utilizados na presente dissertação são eletroníveis do tipo Imperial College. Seu funcionamento está baseado em sensores sensíveis a alterações de inclinação, os quais através de uma calibração fornecem a variação de altura do corpo de prova. A Figura 2.15 apresenta o eletronível utilizado na presente dissertação. Figura 2.16 Eletronível tipo Imperial College desenvolvido na PUC-Rio.

40 3 Características da Área de Estudo Este Capítulo é destinado a apresentar a região no que competem à localização da área de estudo, características de clima, geoambientais, geomorfológicas, vegetação, geologia e solos Localização O perfil estudado está inserido no Parque Nacional Dois Irmãos, sob as coordenadas ,39 Sul e ,49 Oeste, localizado no bairro do Leblon, acima da encosta do Mirante do Leblon e da Av. Niemeyer, a sudeste do município do Rio de Janeiro. O Parque pertence à Serra da Carioca que, juntamente com a Serra da Tijuca, compõem o maciço da Tijuca. Segue indicado na Figura 3.1 o local de estudo bem como pontos de fácil identificação para auxílio na sua localização. Figura 3.1 Imagem de Satélite (Fonte Google Earth).

41 41 O georreferenciamento foi realizado posteriormente às amostragens, visto que estes dados não encontravam-se mencionados nos trabalhos desenvolvidos anteriormente. Como apresentado na Figura 3.2, a região de onde foram amostrados os blocos encontra-se revegetada. Por se tratar de um parque de preservação ambiental não houve a possibilidade de se retirar a vegetação para expor o solo, porém é possível visualizar, na região em destaque, a sua feição e cor. Área de Amostragem Detalhe GPS Figura 3.2 Área de Estudo (Georreferenciamento) Clima O clima é quente e úmido, com pouco ou nenhum déficit de água, mesotérmico, com calor bem distribuído ao longo do ano. Apresentam isotermas em torno de 25 C ou mais, com pluviosidade variando de 1700 a 1900 mm anuais. Os ventos sopram predominantemente de SE, estando a área exposta aos efeitos da circulação atmosférica do Oceano Atlântico. Segundo Köppen-Geiger a área se

42 42 enquadra no tipo Af, (i.e. clima tropical com chuva o ano todo), de características amenas devido à ventilação pela brisa marítima (Atlas Geográfico, 1974) Geoambiental Segundo classificação fornecida pelo Projeto Rio de Janeiro (DRN) o Domínio ao qual a área pertence é o Geoambiental I Faixa Litorânea. Este corresponde ao mais extenso domínio geoambiental do estado do Rio de Janeiro, estendendo-se ao longo da linha da costa, desde a Baixada de Sepetiba até a divisa com o Estado do Espírito Santo. Trata-se, também, do domínio mais heterogêneo, abrangendo desde aéreas inundáveis, tais como mangues, brejos e baixadas, até alinhamentos serranos isolados e maciços montanhosos que podem atingir até 1.000m de altitude. Dentro deste domínio a Unidade Geoambiental relacionada à região do estudo é a descrita como Maciços Costeiros (15a). Corresponde a regiões com a ocorrência de maciços montanhosos isolados nas baixadas litorâneas, sustentados por granitos, ortognaisses migmatíticos, chamockitos e paragnaisses, com vertentes convexas a côncavas e escarpas e topos de cristas alinhadas, aguçados ou levemente arredondados. São caracterizados por serem terrenos de alta declividade, com a possibilidade de ocorrência de depósitos de tálus com baixa capacidade de carga, e afloramentos de rocha. Apresentam alta suscetibilidade a processos de erosão e movimentos de massa. A Figura 3.3 apresenta o mapa Geoambiental com a localização do ponto em estudo bem como a indicação de sua classificação. O mapa de origem encontrava-se na escala de 1:

43 43 Figura 3.3 Mapa Geoambiental Geomorfológico O Escudo Atlântico ou Cinturão Orogênico do Atlântico, ou Cinturão de Cisalhamento do Atlântico, representa uma das importantes feições geotectônicas da fachada atlântica brasileira, estendendo-se de Santa Catarina até o norte da Bahia. Compõe-se de diversas faixas de dobramento, dentre as quais destaca-se a Faixa de Dobramentos Ribeira, que abrange todo o estado do Rio de Janeiro. Esse cinturão constitui-se em um conjunto diversificado de rochas graníticas e gnáissicas, submetidas a diversos eventos orogenéticos ao longo do Pré- Cambriano (Almeida et al., 1976; Heilbron et al., 1995).

44 44 A área de estudo esta inserida na Unidade Morfoescultural Maciços Costeiros e Interiores, a qual compreende um conjunto de maciços montanhosos relativamente alinhados sob direção WSW-ENE, desde o Maciço da Juatinga ao maciço da Região dos Lagos, estando situados em meio às baías e baixadas litorâneas. Segundo Asmus & Ferrari (1978), os maciços costeiros, como os da Tijuca e da Pedra Branca, consistem em blocos soerguidos durante o Cenozóico, paralelamente ao front escarpado das cadeias montanhosas das serras do Mar e da Mantiqueira. Conforme Almeida & Carneiro (1998), os maciços costeiros são remanescentes de uma antiga borda meridional do graben da Guanabara, outrora inserida no Planalto Atlântico (no Paleoceno) e que foi intensamente erodida pelo recuo da escarpa da Serra do Mar, originada junto à Falha de Santos. As unidades descritas a seguir são definidas pelo sistema de relevo Maciços Costeiros e Interiores (251). Apenas os maciços de menor porte são definidos como Alinhamentos Serranos Isolados (223). Suas vertentes íngremes, por vezes rochosas, são freqüentemente recobertas por depósitos de tálus e colúvios e atingem diretamente a linha de costa por meio de pontões rochosos ou as baixadas fluviomarinhas (122, 123) e fluviolagunares (124) em abruptas rupturas de declive. Os gradientes são muito elevados e os topos são aguçados e arredondados (pontões rochosos do tipo pão-de açúcar ) ou em cristas alinhadas. Apresentam densidades de drenagem altas a muito altas. O padrão de drenagem é, geralmente, dendrítico e centrífugo, podendo ser treliça. Apesar dessas unidades apresentarem um alto potencial de vulnerabilidade a eventos de erosão e movimentos de massa, esses eventos geralmente não são expressivos, devido à preservação da área com a manutenção da cobertura florestal existente.

45 45 Figura 3.4 Mapa Geomorfológico Vegetação A vegetação original era composta por floresta subperenifólia e subcaducifólia, nos maciços da Pedra Branca, Tijuca e da Região dos Lagos, mantendo, em grande parte, a mata preservada. Porém na região de estudo, segundo o Projeto RADAMBRASIL (1983), a floresta foi substituída pela vegetação secundária devido à ação antrópica. Hoje encontra-se recoberta por gramíneas, devido à ocupação urbana de média intensidade observada no local.

46 46 Área de Estudo Figura 3.5 Vegetação Parque Nacional Dois Irmãos Geologia A área de estudo esta inserida, como assinalado da Figura 3.6, na unidade estratigráfica São Fidélis (MNps) do Complexo Paraíba do Sul o qual pertence à formação geológica Meso/Neoproterozóica. A unidade São Fidelis representa a maior parte da área de ocorrência do Complexo do Paraíba Sul, sendo constituída essencialmente por metassedimentos detríticos, pelito-grauvaqueanos: granada-biotita gnaisses quartzo-feldspáticos com ocorrência generalizada de bolsões e veios de leucossomas graníticos derivados de fusão parcial in situ e injeções. Variedades portadoras cordierita e sillimanita (kinzitos), comumente apresentando horizontes de xistos grafitosos, exibem contatos transicionais com os granada-biotita gnaises. De ocorrência mais restrita, por vezes são observadas intercalações de quartzitos (qz), rochas metacarbonáticas e calcissilicáticas (ca), além de corpos de anfibolitos e concentrações manganesíferas. Em domínios menos deformados podem ser percebidas localmente estruturas de ressedimentação, decorrentes de fluxos turbidíticos (metaturbiditos). Apresenta-se na Figura 3.7 o mapa geológico simplificado da região Sul do Município do Rio de Janeiro. A área de estudo esta indicada pelo círculo tracejado.

47 47 Figura 3.6 Mapa Geológico Simplificado da Região Sul do Município do Rio de Janeiro Área de Estudo Figura 3.6 Mapa Geológico Simplificado da Região Sul do Município do Rio de Janeiro.

48 3.7. Solos Segundo classificação adotada pelo DRN, baseada nas definições da Embrapa Solos (1988), a região encontra-se inserida numa área com predominância da ocorrência de solo Podozólico Vermelho-Amarelo. Sua correspondência no atual Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (Embrapa, 1999) segue como Argilossolo Vermelho-Amarelo Distrófico. Este solo apresenta grande expressão espacial no Estado, em relevo que varia de suave ondulado a montanhoso, sob vegetação original de floresta subcaducifólia ou subperenifólia, e mais raramente caducifólia, como nas proximidades de São João do Paraíso. É comum a presença de solos com características intermediários com Latossolos, com os quais se encontram freqüentemente associados. Nessas áreas apresentam, geralmente, caráter distrófico ou álico e perfis bastante espessos. Quando eutróficos tendem a ser mais rasos. São predominantemente cauliníticos, com argila de baixa atividade, geralmente bem drenados, de textura média/argilosa ou média/muito argilosa. A classificação adotada faz referencia à associação de três classes de solos. No caso do solo estudado fez-se a associação dentre a classe Podozólico Vermelho-Amarelo álico, Podozólico vermelho amarelo TB eutrófico raso, ambos no horizonte A moderado apresentando textura médio-argilosa com a classe de solos litólicos indiscriminados face substrato de rochas gnáissicas ácidas, e com afloramentos de rochas.

49 Figura 3.7 Mapa de Solos. 49

50 4 Ensaios Realizados e Metodologias Empregadas Na presente dissertação foi desenvolvida uma série de ensaios geotécnicos com o intuito de caracterizar as propriedades físicas e o comportamento mecânico de um solo residual de biotita-gnaisse. Para tanto foi desenvolvida uma seqüência de ensaios. Primeiramente foi realizada a caracterização física e mineralógica do material compreendendo a determinação das propriedades índices, microscopia óptica, difração de Raio-X, curva característica de sucção, porosimetria de mercúrio, microscopia digital de varredura e ensaios triaxiais Ensaios de Caracterização Caracterização Física Os procedimentos para os ensaios de caracterização foram desenvolvidos segundo as recomendações da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): NBR 6457/1986 Amostra de Solos Preparação de compactação e Caracterização; NBR 6457/1986 Teor de Umidade Natural; NBR 6508/1984 Massa específica Real dos Grãos; NBR 6459/1984 Solo Determinação do Limite de Liquidez; NBR 7180/1984 Solo Determinação do Limite de Plasticidade; NBR 7181/1984 Solo Análise Granulométrica. A partir dos ensaios de limites de consistência e distribuição granulométrica, foram também determinados, os seguintes índices físicos:

51 51 Índice de plasticidade (IP,%), obtido pela diferença entre o limite de liquidez (LL,%) e o limite de plasticidade (LP%); Índice de atividade das argilas (Ia), determinado segundo proposta de Skempton, como: IP Ia = eq. 4.1 % < 2μm % < 2 μ m = fração argila Classificação segundo a fração argila presente no solo: Ia < 0,75 inativas 1,25 > Ia > 0,75 atividade normal Ia > 1,25 ativa Com as amostras não amolgadas, obteve-se o peso específico dos grãos γ s, peso específico natural γ nat, peso específico seco γ d, índice de vazios (e), porosidade (n,%) e grau de saturação (S,%) Caracterização Mineralógica Microscopia Ótica A microscopia ótica consiste na preparação de lâminas petrográficas, onde as amostras de solo são previamente secas a uma temperatura de 100ºC, seguindose um processo lento de impregnação com resina epóxi misturada com um corante. A resina ocupa os vazios do solo (poros), e o corante auxilia na identificação destes vazios. Após este procedimento é colada uma lâmina de vidro ao material, e o mesmo é polido até se conseguir uma lâmina com 0,3mm de espessura. Estas lâminas são observadas num microscópio ótico, com aumentos de 48, 96, 144 e 192 vezes. A passagem de luz por essas lâminas identifica o tipo de mineral, o tipo de cimentação e outras características que serão descritas a seguir. Foi confeccionada 1 lâmina petrográfica para a microscopia ótica. A descrição das feições micro-estruturais do solo estudado na presente dissertação, com base tanto na microscopia ótica, como na microscopia digital, mostrou-se muito importante para a interpretação dos resultados dos ensaios mecânicos apresentados nos próximos capítulos.

52 Difração de Raio-X A identificação dos argilo-minerais constituintes dos solos é de extrema importância para o entendimento de seu comportamento. Um dos ensaios que auxilia a identificação da composição mineralógica da fração silte/argila é a Difração de Raio-X. Isto é possível porque na maior parte dos sólidos (i.e. cristais), os átomos se ordenam em planos cristalinos separados entre si por distâncias da mesma ordem de grandeza dos comprimentos de onda dos Raios-X. Ao incidir um feixe de Raios-X em um cristal, o mesmo interage com os átomos presentes, originando o fenômeno de difração. A difração de Raios-X ocorre segundo a Lei de Bragg a qual estabelece a relação entre o ângulo de difração e a distância entre os planos que a originam (característicos para cada fase cristalina) conforme a equação 4.2. nλ = 2dsenθ eq. 4.2 Onde: n: Número inteiro λ: Comprimento de ondas dos Raios-X incidentes d: Distância interplanar θ: Ângulo de Difração Cada argilo-mineral gera um conjunto característico de reflexões segundo ângulos θ, que podem ser convertidos nas distâncias interplanares formadas pelas estruturas cristalinas. Os difratogramas obtidos para o presente trabalho foram determinados no Laboratório de Difração de Raios-X (LDRX) do Departamento de Ciências dos Materiais e Metalurgia (DCMM) da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). O equipamento utilizado foi o Difratômetro SIEMENS, modelo D 5000, com dois goniômetros. A interpretação dos resultados é executada por meio do software TOPAS da Bruker AXS. (Figura 4.1).

53 53 Goniômetros Amostra Figura 4.1 Difratômetro Siemens D 5000 e Interface do Software TOPAS da Bruker AXS Características Não Saturadas Curva de Retenção de Umidade Umas das técnicas empregadas, na presente pesquisa, para a determinação da curva de retenção de umidade foi a do papel-filtro. Este método baseia-se na hipótese de que o papel-filtro alcança equilíbrio termo dinâmico com relação ao fluxo de umidade que decorre em um solo com um valor qualquer de sucção. Quando o papel-filtro é colocado em contato direto com o solo, instaura-se um fluxo d água do solo para o papel, até que se atinja o equilíbrio. Quando o papelfiltro é posto em contato direto (método de adsorção capilar), mede-se sucção matricial. Em não havendo contacto direto (método de absorção de vapor), medese sucção total. O método do papel-filtro mede sucção de maneira indireta, por meio de curvas de calibração. (e.g. Chandler e Gutierrez, 1986). Os procedimentos adotados seguem o proposto por de Campos et. al. (1992) e Marinho (1994). De maneira resumida o método consistiu em posicionar um disco de papel-filtro contra a amostra de solo em estudo, selando o conjunto para evitar a evaporação. O papel-filtro umedeceu até apresentar o conteúdo d água

54 54 associado à sucção da amostra. A medição da umidade do papel-filtro permitiu a obtenção do valor de sucção procurado, pelo emprego de uma correlação previamente estabelecida (a curva de calibração do papel-filtro). Para a realização do ensaio foram moldados corpos de prova de solo utilizando anéis de alumínio com diâmetro interno de 4.75 cm por 2 cm de altura. Após a moldagem era determinada a umidade do solo. Com os valores de umidade desejada em cada anel, definidas em função da disposição dos pontos na curva de retenção, as umidades dos anéis eram ajustadas (umedecimento ou secagem). Após a equalização da umidade os papéis-filtro eram dispostos em contato com a base e topo das amostras. Cada anel era cuidadosamente envolto em filme de PVC e disposto em caixa de isopor. Após aguardar o tempo recomendado para estabilização da sucção matricial os papéis, devidamente identificados (topo e base), tinham sua massa mensurada (massa úmida). Eram então levados à estufa para secagem e, logo após, determinada a massa (massa seca). De posse destes dados e juntamente com a equação de calibração do papelfiltro foi possível determinar a curva de retenção de umidade. O papel-filtro utilizado foi o da marca Whatman n Porosimetria de Mercúrio Os ensaios de Porosimetria ao Mercúrio foram realizados no Micromeritics PoreSizer 9320 do Laboratório da Fundação de Apoio à Física e à Química da Universidade de São Carlos (USP/São Carlos). Na geotecnia existem vários trabalhos utilizando os dados de ensaios de porosimetria na previsão das propriedades hidráulicas dos solos, entre eles pode ser citados os trabalhos de Garcia-Bengachea et al. (1979) com permeabilidade não saturada, Prapaharan et al.(1985), Romero et al. (1999), Aung et al. (2001) e Simms & Yanful (2002) na determinação da curva de retenção de umidade, entre outros. A técnica de porosimetria ao mercúrio é sem dúvida a técnica mais importante para a determinação de porosidade de materiais. Através deste ensaio é possível a determinação da distribuição de tamanho de poros, do volume total de

55 55 poros e da área específica do material bem como estimar através de correlações a curva de retenção de umidade. A técnica se baseia no fato de que o mercúrio se comporta como um fluído não-molhante em relação à maior parte das substâncias. Por conseqüência, não penetra espontaneamente em pequenos furos destes materiais a menos que se aplique uma pressão sobre ele. Se uma amostra de um sólido poroso é encerrada num recipiente dotado de um capilar, sendo feito o vácuo sobre a mesma e sendo preenchido o recipiente e o capilar com mercúrio, ao se aumentar a pressão sobre o líquido este penetrará nos poros da amostra reduzindo seu nível no capilar. Através do registro da redução do nível de mercúrio no capilar, juntamente com a pressão aplicada, se obtém a curva porosimétrica. Basicamente o ensaio de porosimetria ao mercúrio fornece duas curvas, a curva de volume acumulado e um histograma de freqüência contínuo dos diversos diâmetros de poros constituintes da estrutura do solo. Com a primeira é possível obter-se, para um determinado diâmetro de poro, as porcentagens, em relação ao volume de vazios total da amostra, dos poros de diâmetro maior ou menor do que o considerado. Já a segunda curva, [dv/d(logd)] fornece os intervalos de diâmetros de poros por classe. Através de relações propostas por Aung et al. (2001), foi possível se determinar de forma indireta à curva de retenção de umidade. A teoria do método se baseia nas considerações de que os poros podem ser tratados como sendo canais de fluxo cilíndricos. Segundo Fredlund e Raharadjo (1993) a equação de Kelvin pode ser utilizada para se determinar o diâmetro de poros equivalente, D, relacionado à sucção aplicada. A equação de Kelvin é dada por: 4T cos α ΔP = eq. 4.3 D Onde: Δ P = diferença de pressão entre duas interfaces; T = Tensão superficial do fluido; α = Angulo de contato entre o fluido e o solo.

56 56 Assumindo que a diferença de pressão, Δ P, entre a água e o ar é a sucção (ua-uw) e que o ângulo de contato na interface entre ar-água e as partículas de solo é zero, o diâmetro equivalente de poro correspondente à interface ar-água é dado por: 4Ts ( ua uw) = eq. 4.4 D Onde: Ts = tensão superficial (72,75 x 10-3 N/m a 20 o C) No caso da porosimetria de mercúrio utiliza-se a equação 4.5 de Washbum, devido ao fato do mercúrio possuir características não molhantes. O ângulo de contato entre mercúrio e as partículas de solo (i.e. θw) pode variar entre 100 e Tnw cosθnw p = D Onde : T nw = tensão superficial (485x10-3 N/m); θ nw = valor adotado de 130 o. eq. 4.5 Assumindo que com a injeção de mercúrio a água seja expulsa da estrutura do solo e o mesmo passe a ocupar o mesmo diâmetro de poros chega-se à equação: Tw cos θ w ( ua u w ) = p = 0, 233 p Tnw cos eq. 4.6 θ nw A partir desta equação é possível calcular a sucção equivalente a cada pressão de mercúrio aplicada. O grau de saturação equivalente pode ser calculado como: Sr =1 Srnw Sr nw = n/n 0 eq. 4.7

57 Microscopia Digital de Varredura (MDV) As análises e captura das imagens da lâmina petrográfica foram realizadas no Laboratório de Microscopia Digital (LMD) pertencente ao Departamento de Ciências dos Materiais e Metarlugia (DCMM), localizado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). O equipamento utilizado foi um Microscópio Óptico Zeiss AxioPlan 2ie motorizado e controlado por software, munido de uma Câmara Digital Axiocam HR x 3090 pixels a qual através do Software KS400 da Zeiss realiza o processamento e análise de imagens. Para o controle do microscópio óptico é utilizado o Software AxioVision da Zeiss. A quantificação dos vazios, do solo em estudo, foi determinada com o auxílio da técnica de Processamento Digital de Imagem. Em princípio o Processamento Digital de Imagens é uma técnica que se utiliza de operações matemáticas para alterar os valores dos pixels de uma imagem digital, modificando-a com o intuito de preparar a imagem para ser analisada através de um software (Análise Digital de Imagens). A Análise Digital de Imagens de solos consiste na extração e tratamento de dados quantitativos provenientes de imagens digitais da lâmina petrográfica de solo. Através deste método pode-se realizar medições mais rápidas, precisas e acuradas, possibilitando ainda a realização de medidas impossíveis de serem obtidas manualmente. Comumente, o termo Processamento Digital de Imagens é usado referindo-se globalmente a ambas as técnicas, processamento e análise digital. Isto é, de certo modo, justificável, já que geralmente as técnicas se intercalam, podendo a etapa seguinte do processamento ser determinada por uma etapa de análise. Para a análise digital da imagem foi utilizado o software KS400 da Zeiss. Este software realiza processamento e tratamento de imagem, sendo possível através de seleções e inserções de filtros se determinarem os parâmetros de análise (cores dos pixels) que irão identificar os vazios. A contagem dos pixels referenciados como vazios (i.e. áreas em azul) relacionados à área total da lâmina petrográfica, fornece uma indicação da porosidade do solo. Segundo Moncada (2008), os resultados obtidos através da técnica de microscopia digital são úteis na determinação da macro-porosidade, (i.e na determinação dos poros maiores) onde

58 58 o corante utilizado na impregnação das laminas consegue uma boa impregnação. Mais adiante no Capítulo 5, será realizada uma comparação e análise entre os valores de porosidade obtidos através das diferentes técnicas. Figura 4.2 Microscópio Óptico Zeiss AxioPlan 2IE Ensaios Triaxiais Neste item serão apresentados os equipamentos utilizados, com posterior descrição dos procedimentos realizados para a execução dos ensaios triaxiais. Serão descritas as propriedades das prensas triaxiais com deformação controlada e tensão controlada, respectivamente, ressaltando as diferenças entre estes equipamentos Prensa Triaxial com Deformação Controlada Este equipamento pode ser dividido basicamente em uma célula triaxial equipada por instrumentos ligados a uma aquisição de dados, onde através de

59 59 válvulas e de uma prensa mecânica com velocidade constante as tensões dos ensaios são impostas. Trata-se de uma prensa triaxial da Wykeham Farrance modelo WF10074 com capacidade de kg. A taxa de deslocamento máxima é de 50 a 0.05 mm por minuto na faixa de utilização rápida e de 0.5 mm a mm por minuto na faixa lenta. A prensa utilizada não possui sistema de servo controle sendo necessária a iteração do laboratorista no âmbito de controlar as pressões durante o ensaio. A aquisição de dados é realizada pelo sistema Orion, o qual registra as leituras dos instrumentos em função do tempo transcorrido. Posteriormente é necessária a transformação das leituras realizadas da unidade básica de Vdc para unidades de engenharia. Esta conversão é efetuada através de uma pré-calibração dos instrumentos a qual fornece equações que podem ser facilmente programadas, por exemplo, no Excel. Uma visão geral do equipamento é mostrada na Figura 4.3. Sistema de Aplicação de Pressão Medidor de Variação de Volume Figura 4.3 Prensa Triaxial de Deformação Controlada - Wykeham Farrance WF

60 60 Figura 4.4 Sistema de Aquisição de Dados Orion Interface Ar/Água A interface ar/água responsável pela aplicação de pressão confinante é a própria célula Triaxial, onde através do não preenchimento total de água na câmara, forma-se uma interface. Este procedimento foi adotado visando à integridade da célula de carga, pois ocorreram danos em células anteriormente utilizadas. Tais danos foram causados pela entrada de água, apesar destas serem apresentadas pelo fabricante como submersíveis. Seu funcionamento consiste na aplicação de pressão de ar na parte superior da câmara triaxial, na parte não preenchida por água. Sendo assim esta pressão é diretamente transmitida à água de confinamento e ao corpo de prova. Alguns cuidados devem ser adotados para se utilizar a câmara triaxial como interface. Pois esta prática ocasiona a dissolução de ar na água confinante, este ar dissolvido em ensaios de longa duração tende a atravessar a membrana de látex gerando a dessaturação do corpo de prova, comprometendo os resultados dos ensaios. Entretanto, para verificar a ocorrência deste processo é necessário observar o aparecimento de ar entre a membrana e o corpo de prova ao final do ensaio, na etapa de desconfinamento do corpo de prova com as drenagens

61 61 fechadas. A ocorrência das bolhas de ar evidencia a dessaturação do corpo de prova devido à dissolução de ar na água confinante que atravessou a membrana Medidor de Variação de Volume Trata-se de um transdutor de variação volumétrica do tipo Imperial College (de Campos, 1984). Onde a medição da variação de volume é realizada através de uma interface composta por um recipiente cilíndrico dentro do qual se encontra um conjunto de borrachas de vedação da Bellofram fixadas e vedadas nas extremidades, formando assim duas câmaras (superior e inferior), com um cilindro em PVC, de diâmetro ligeiramente inferior ao reservatório externo, situado entre estas borrachas. Ela pode ser visualizada na Figura 4.3. Seu funcionamento, é simples, consiste na aplicação de ar câmara inferior formada pela borracha Bellofram a qual empurra o cilindro de PVC para cima comprimindo assim a água contida na câmara superior. Todo e qualquer deslocamento do cilindro de PVC é medido através de um LSCDT, o que possibilita posteriormente calcular a variação de volume, visto que através do deslocamento e do conhecimento da área da base do recipiente cilíndrico pode-se encontrar o volume tanto de saída de água quanto de entrada no sistema. A capacidade da câmara que contém água é de 300 ml, podendo suportar pressões de ar de 9 Bar e com precisão de 0.01 ml. Para o correto funcionamento a câmara superior que contém a água deve estar completamente preenchida sem haver a existência de bolhas de ar. O sistema deve ser estanque e pode ser calibrado com o auxílio de uma bureta graduada Câmara Triaxial O objetivo primordial da câmara triaxial é garantir a aplicação das tensões principais e de poro-pressão no corpo de prova. De preferência, ela ainda deve permitir a medição interna da variação de altura e diâmetro da amostra, além de seu volume. A câmara utilizada no presente trabalho tem paredes em acrílico (o que possibilita a visualização do corpo de prova durante o ensaio), com dimensões de 380 mm de altura, diâmetro de 270 mm e capacidade de pressão interna de 900

62 62 kpa. Esta célula teve sua base adaptada para trabalhar com corpos de prova de 11/2, pois originalmente era destinada a ensaios em corpos de prova de 4. A utilização desta câmara maior teve como motivação a necessidade de se possuir um espaço maior entre o corpo de prova e a parede de acrílico, para que fosse possível a instalação de medidores de deformação axial, tipo Imperial College. Distância da Câmara Figura 4.5 Câmara Triaxial. A base da câmara triaxial, em duralumínio, possibilita através de uma série de válvulas tipo esfera, o fluxo de água através do corpo de prova assim como o fluxo de água até o transdutor de poro-pressão e de pressão confinante. Por este equipamento possuir somente um transdutor, que servia tanto para leituras de poro-pressão quanto de tensão confinante, foi necessária a utilização de conexões que possibilitavam a comutação no momento das leituras. Esta característica impôs uma maior dificuldade para a execução do ensaio. Porém em se tratando de minimizar os erros provenientes de leituras realizadas com equipamentos distintos, esta técnica se mostra mais eficiente. A vedação da câmara é garantida por uma série de anéis O rings que estão dispostos tanto no orifício de passagem da haste da célula de carga, quanto na ligação da base com a câmara.

63 Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante A medição da poro-pressão foi realizada através de um transdutor de pressão da Schaevitz modelo P com capacidade de leitura na faixa de kpa. Este equipamento se encontra ligado ao sistema de aquisição de dados onde é possível acompanhar as leituras durante o ensaio. O transdutor é conectado a base da câmara através de um dispositivo confeccionado em acrílico, o qual possui um sistema para a drenagem de bolhas de ar. Este dispositivo é de relevante importância visto que promove a retirada de bolhas que ocasionariam erros nas leituras do equipamento Controlador de Pressão O sistema de aplicação de pressão, como pode ser visto na Figura 4.3, é constituído por válvulas de precisão ligadas à rede de ar comprimido do laboratório que fornece uma pressão máxima na linha de 700 kpa. O controle é realizado manualmente pelo operador da prensa. Este processo consiste na regulagem da pressão via leituras fornecidas pelo transdutor. O sistema possui três válvulas, sendo uma para aplicação de pressão de ar no topo da câmara triaxial, o que confere a pressão confinante, outra para aplicação da contrapressão e, a última, em se tratando de um ensaio de permeabilidade, possibilita a aplicação de um gradiente hidráulico entre o topo e a base do corpo de prova. São válvulas reguladoras de pressão da Watson Smith que trabalham na faixa de kpa podendo alcançar a pressão máxima de 1030 kpa Prensa Triaxial Eletromecânica Trata-se de uma prensa triaxial, de deformação controlada, da Wykeham Farrance modelo WF10072 projetada para trabalhar como um carregamento axial máximo de Kg. Sua operação é manual via seletores em seu painel de comando. A velocidade de deslocamento é ajustada de maneira analógica, não havendo a necessidade de iteração com o sistema de engrenagens. Existe ainda a

64 64 opção de se estabelecer limites de deslocamentos que param o funcionamento da prensa, evitando assim acidentes que possam vir a danificar o equipamento Prensa Triaxial Tipo Bishop-Wesley com Tensão Controlada ou Deformação Controlada O equipamento utilizado foi um triaxial tipo Bishop-Wesley desenvolvido no Imperial College, Londres, que permite a realização de uma extensiva gama de ensaios em diferentes trajetórias de tensões. Trata-se de um sistema servo controlado. Este equipamento triaxial pode ser descrito como sendo composto por uma célula triaxial operada por um sistema de aplicação de pressões o qual é servo controlado, de maneira conjunta, por um software e por uma aquisição de dados. Na seqüência será abordada, de maneira semelhante ao item anterior, a descrição do equipamento por partes. Figura 4.6 Equipamento Triaxial com Tensão Controlada (Imperial College).

65 Interface Ar/Água As interfaces de ar/água, utilizadas pela prensa Bishop Wesley do Imperial College, são responsáveis pela conversão de pressão de ar em pressão de água, conferindo não só a aplicação de tensão confinante e de poro-pressão, mas também auxiliando na transmissão tensão desviadora. Sua faixa de pressões de trabalho é análoga à da câmara triaxial podendo chegar ao máximo de 900 kpa. Este limite é imposto pelas propriedades mecânicas do acrílico utilizado em seu reservatório Medidor de Variação de Volume O sistema de medição de variação de volume utilizado neste equipamento segue o principio de funcionamento do já descrito medidor de variação de volume da prensa Wykeham Farrance, apresentando um lay-out muito parecido. Sua capacidade é de 50cm3 e pressão de trabalho limitada pelo sistema de aplicação de pressão em 900 kpa. Possui um LSCT como instrumentação o que permite, como já mencionado, a determinação da variação de volume Câmara triaxial Da mesma forma que a câmara descrita anteriormente, suas paredes são confeccionadas em acrílico, com dimensões de 260 mm de altura, diâmetro de 200 mm e capacidade de pressão interna de 900 kpa. Trata-se de uma peça original do Imperial College, não havendo sido realizadas modificações. Trabalha com corpos de prova de 1 1/2. Em seu projeto foi levada em consideração a necessidade de espaço entre a amostra e a parede interna de acrílico para que fosse possível a utilização de medidores de deformação axial (tipo Imperial College) fixados no corpo de prova.

66 Transdutor de Poro-Pressão e Tensão Confinante As leituras de poro-pressão são realizadas através de um transdutor de pressão com capacidade de leitura na faixa de zero a 1500 kpa modelo PR-27 W/ do fabricante Keller. Já as leituras de tensão confiante são realizadas por um transdutor similar com as mesmas características de funcionamento e operação. Estes equipamentos encontram-se conectados ao sistema de aquisição de dados, onde é possível acompanhar durante o ensaio as leituras em tempo real. O transdutor de tensão confinante encontra-se ligado à célula triaxial através de uma peça em duralumínio, que permite a comunicação da pressão confinante com o transdutor e ainda via um dreno posicionado na parte superior que possibilita a retirada de bolhas de ar da linha. Já o transdutor que mede a poro-pressão é acoplado à base da câmara através de dois tubos em aço inox conectados a um dispositivo confeccionado em acrílico, o qual possui um sistema para a drenagem de bolhas. A utilização de tubos de aço inox promove a minimização do efeito de dilatação da tubulação, o que garante um tempo de resposta mais rápido ao conjunto. A utilização de instrumentos distintos para medição de pressão pode gerar a incerteza quanto a possíveis diferenças em suas leituras. Porém, neste equipamento, por se tratar de uma prensa com servo controle seu software (TRIAX 5) realiza a correspondência entre as leituras e a pressão aplicada. Isto é possível, pois existe a opção de se calibrar todos os transdutores de uma só vez Controlador de Pressão O conjunto de equipamentos responsáveis pelo controle de pressão é constituído por 3 Box supridas por um compressor Kaeser linha Premium, que confere uma pressão máxima na linha de 2000 kpa. As assim chamadas Box contêm internamente um sistema formado por uma válvula de precisão conectada a um motor de passo bem como uma eletrônica para o processamento dos sinais de comando e controle do motor de passo.

67 67 Cada Box de pressão é responsável pela aplicação de uma determinada pressão podendo ser a tensão confinante, poro-pressão ou ainda de cisalhamento. Esta característica de controle de tensão cisalhante bem como de tensão confinante e poro-pressão é que permite com que este equipamento realize uma ampla faixa de ensaios, em diferentes trajetórias de tensões. Ressalta-se que podem ser realizados ensaios com controle de deformação, pois este equipamento possui um dispositivo chamado de CRSP que, através do deslocamento constante de seu pistão (sem fim), movido por um motor de passo, faz com que a pressa se desloque numa taxa fixa de deslocamento Célula Triaxial Tipo Bishop-Wesley Trata-se de uma prensa triaxial de tensão controlada do Imperial College tipo Bishop e Wesley (1975). Sua operação é totalmente automatizada através de um software suprido de dados de input fornecidos pelo laboratorista bem como de dados provenientes da instrumentação. As tensões de ensaio são ajustadas de maneira eletromecânica seguindo os valores definidos pelo software em atendimento à programação imposta. O topo da célula e a célula em acrílico são similares aos dos ensaios triaxiais convencionais. O pedestal contém conexões que permitem a drenagem do corpo de prova bem como a medição de poro-pressão e é conectado a RAM. A RAM move-se na vertical, guiada em um movimento linear. Dois Belloframs de borracha são utilizados para a vedação. O posicionado no topo permite a vedação do fluído da célula triaxial e o inferior é responsável pela contenção do fluido da câmara inferior. O carregamento axial é aplicado através da pressurização da câmara inferior. O carregamento axial é medido por uma célula de carga submersível contida no interior da célula triaxial. Duas hastes de extensão são conectadas no pistão da RAM e ao LSCDT auxiliando na medição dos deslocamentos axiais. As pressões, confinante e de poro pressão, são medidas por transdutores. O sistema de contrapressão, se necessário, pode ser conectado à base da amostra. A medição de variação de volume pode ser realizada pelo medidor de variação de volume conectado na linha de contrapressão.

68 68 O sistema é caracterizado por ser muito versátil, e auto-suficiente, não necessitando de aparato para carregamento. Pode ser utilizado para a realização de vários tipos de ensaios, e pode aplicar extensão axial assim como compressão. Detalhes do funcionamento são dados por Bishop e Wesley (1975). Figura 4.7 Prensa Pneumática (Imperial College) Eletroníveis Tipo Imperial College Para a instrumentação e medida da deformação axial interna na prensa com deformação controlada foram desenvolvidos um par de eletroníveis. Como pode ser observado na Figura 4.8, é composto por uma ampola encapsulada em um recipiente metálico ligado a um par de pernas. Estas pernas transmitem ao sensor as deformações sofridas pelo corpo de prova. As deformações são calibradas em função da inclinação do eletronível. O procedimento de instalação está descrito no item

69 69 Figura 4.8 Eletroníveis (Imperial College) Procedimentos Iniciais e Materiais Utilizados O procedimento para realização dos ensaios triaxiais consistiu nas seguintes etapas: Confecção do corpo de prova; Colocação do mesmo no pedestal do equipamento Triaxial; Instalação dos eletroníveis; Processo de saturação; Adensamento; Cisalhamento; Os procedimentos adotados em todos os ensaios triaxiais até o estágio de cisalhamento são semelhantes. Consistem em moldar o corpo de prova com as dimensões de 1 ½ (38mm) por 3 (76mm) com respectiva determinação de suas características como umidade e massa. Posteriormente, antes da disposição do corpo de prova no equipamento triaxial, as linhas eram saturadas as interfaces ar/água e o transdutor de variação de volume eram completados. Com estas etapas realizadas as pedras porosas e os papéis filtro eram dispostos respectivamente no pedestal e no topo do corpo de prova. Posteriormente o corpo de prova era colocado no pedestal a membrana de látex juntamente com os o rings eram instalados.

70 70 O próximo procedimento adotado era o de fixar os eletroníveis, medidores de deformação axial interna, na membrana. Para tanto foi utilizado o adesivo instantâneo 495 da Loctite, próprio para fixação de metal em superfícies flexíveis. A partir deste passo a câmara triaxial era fechada e preenchida com água. Na seqüência era dado o início do processo de saturação do corpo de prova. Foi adotado em todos os ensaios triaxiais o método da contrapressão, com tensão efetiva de 10 kpa. Para a saturação, com dissolução do ar na água, foi preciso aplicar estágios que chegaram a ter como pressão confinante 700 kpa. No equipamento Triaxial servo controlado o processo de saturação apresentou um velocidade maior que o operado manualmente. Isso devido ao fato da saturação ocorrer seguindo uma rampa programada. O controle realizado fazia com que a tensão efetiva ficasse fixada em 10 kpa enquanto o aumento das tensões confinantes e de poro-pressão ocorriam. Com a medição do parâmetro B de Skempton estando entre 0,95 e 1,0 era iniciado o processo de adensamento. Na seqüência a amostra era cisalhada Confecção dos Corpos de Prova Os corpos de provas utilizados na presente pesquisa foram confeccionados a partir de blocos de solo amostrados no trabalho desenvolvido por Oliveira em Os referidos blocos encontravam-se desde então acondicionados na câmara úmida do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, devidamente lacrados com filme de PVC, papel alumínio, talagarça e parafina., como representado na Figura 4.9.

71 71 Figura 4.9 Abertura de Bloco para Moldagem Corpos de Prova Não Amolgados Com o intuito de facilitar a moldagem, os blocos não amolgados de cerca de 30 cm de arestas, extraídos em campo, foram fracionados em outros blocos menores, com dimensões aproximadas de 15 cm x 5 cm x 5cm. Estes blocos menores foram dispostos dentro de uma caixa de isopor vedada. O material foi todo armazenado na câmara úmida do laboratório. Conforme pode ser observado na Figura 4.10, os prismas oriundos do fracionamento do bloco maior, eram cuidadosamente instalados sobre um torno manual, específico para a moldagem de corpos de prova cilíndricos, com 1 ½ de diâmetro. Figura 4.10 Preparação de Corpo de Prova.

72 72 Após a moldagem do cilindro de solo, este corpo de prova era disposto em um berço metálico com exatamente 3 de comprimento onde suas faces transversais eram desbastadas, tornando-as paralelas entre si, resultando em amostras com dimensões similares. Após este procedimento de moldagem, os corpos de prova tinham sua massa aferida para determinação do teor de umidade final do ensaio triaxial assim como propriedades físicas como o índice de vazios. Pelo fato das dimensões terem sido condicionadas ao berço, tanto na altura quanto no diâmetro, não houve a necessidade das dimensões serem aferidas através do paquímetro Corpos de Prova Amolgados Para os ensaios com material amolgado, foi adotando o procedimento de destorroar corpos de prova confeccionados utilizando-se o torno manual, assim como os corpos de prova não amolgados. O teor de umidade natural utilizado foi determinado durante a moldagem dos corpos de prova não amolgados. Pequenas correções do teor de umidade foram realizadas quando o material destorroado apresentava uma umidade natural inferior a 10%. Para a moldagem dos corpos de prova foi utilizado um molde tripartido, onde o solo foi compactado estaticamente, em 4 camadas iguais. O índice de vazios aos quais os corpos de prova foram moldados foi similar ao dos corpos de prova não amolgados. A determinação das dimensões dos corpos de prova seguiu a metodologia citada no item anterior Membranas Papel Filtro e Pedras Porosas As membranas utilizadas eram de látex, fornecidas pela Wykeham Farrance. Elas foram testadas para a verificação de ausência de furos antes da execução de todos os ensaios. O teste consistiu em vedar suas extremidades e aplicar ar dentro da membrana, que posteriormente era imersa em água para a verificação da existência de bolhas de ar.

73 73 O papel filtro utilizado era da marca Whatman nº 54. Os mesmos foram utilizados no topo e base do corpo de prova. As pedras porosas eram devidamente saturadas e mantidas em água destilada até a montagem do ensaio. Ao final de todos os ensaios elas eram levadas a um equipamento de ultrasom e mantidas vibrando por 30 minutos, para retirar eventuais obstruções de seus poros Saturação das Linhas do Equipamento Triaxial Todas as linhas da base e do top cap eram saturadas antes de se colocar o corpo de prova na prensa. Este processo consistia em percolar água através das tubulações do equipamento triaxial visando à retirada de qualquer bolha de ar que pudesse estar presente nas linhas. Para a aferição da saturação do sistema de medição de variação de volume era aplicada uma pressão de ar na base do mesmo com suas saídas de água fechadas. Em princípio o aumento da pressão não deve gerar variações de volume. Logo, sendo notado algum indicativo de existência de ar no sistema (i.e. variação de volume) o processo de saturação era reinicializado Metodologia de Cálculo dos Ensaios Ensaio Triaxial com Deformação Controlada. As leituras e o armazenamento dos dados foram realizados através do sistema de aquisição Orion. Os dados provenientes do Orion foram, via software ORIONT, tratados e disponibilizados em formato de arquivo. Este processamento dos dados tornou possível a manipulação dos dados através de uma planilha eletrônica do tipo Excel, onde com o auxílio das equações de calibração dos instrumentos, as leituras foram transformadas de Vdc para unidades de engenharia. Após este processo, uma analise foi realizada na leitura dos instrumentos, para se determinar os valores inicias (L 0 ) em cada etapa do ensaio, possibilitando

74 74 assim a correção dos dados (e.g. encosto da célula de carga com a correspondente desconsideração da deformação axial até este momento) Ensaio Triaxial com Tensão Controlada Os dados provenientes dos ensaios realizados com o equipamento triaxial tipo Imperial College foram processados utilizando o software TRIAX5 o qual os converte automaticamente em dados de engenharia. Para tanto, são utilizadas as calibrações pré-definidas pelo usuário. Os dados podem ser ainda exportados para uma planilha eletrônica do tipo Excel, onde é possível a manipulação dos mesmos e a representação dos resultados na forma de gráficos.

75 5 Caracterização do Solo 5.1. Caracterização Geotécnica Índices Físicos Este item contempla os índices físicos determinados através da utilização dos processos descritos nas normas referidas no Item As suas determinações foram realizadas logo após a abertura do bloco na câmara úmida. Na Tabela 5.1 seguem apresentados os valores dos índices físicos. Tabela 5.1 Índices Físicos. w nat (%) ρ s (g/cm³) G s ρ d (g/cm³) Índice de Vazios, e Porosidade, n (%) Grau de Saturação, S (%) Análise Granulométrica Seguem dispostos na Tabela 5.2 e na Figura 5.1 os resultados da análise granulométrica realizada no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC- Rio. Tabela 5.2 Distribuição Granulométrica. Pedregulho (%) Areia (%) Silte (%) Argila (%)

76 Peneira N o (SUCS) /4" 5/16" 3/8" 1/2" 6 4 3/4" 1" 1 ½" 2" 3" 4" 5" 6" 8" 12" 16"14" 20"18" 30" Porcentagem que passa (%) Porcentagem retida (%) Diâmetro dos Grãos (mm) Figura 5.1 Distribuição Granulométrica Limites de Atterberg A determinação dos Limites de Atterberg foi realizada segundo as instruções gerais das normas NBR 6459 (LL) e NBR 7180 (LP) utilizando o material passante na peneira n o. 40. A Tabela a seguir apresenta os resultados obtidos. Tabela 5.4 Limites de Atterberg. LL LP IP Índice de Atividade de Skempton (Ia) Segundo o Índice de Atividades de Skempton (eq. 4.1) trata-se de um solo que apresenta atividade normal. Entretanto segue a ressalva de que esta classificação não foi desenvolvida para solos residuais e sim argila de Londres. Com tudo este resultado aparenta representar bem as características do solo em estudo.

77 Característica Mineralógica Microscopia Ótica Através da observação da lâmina petrográfica foi possível a identificação dos principais minerais constituintes do solo. Pode-se notar como indicado nas Figuras 5.3 e 5.4 a presença de K Feldspato, Biotita alterada, Granada e, discretamente, o Quartzo. O processo de intemperismo está bastante evidente no Feldspato Plagioclásio. Na região onde se apresenta este mineral é possível notar uma grande concentração de vazios dispersos. A formação destes vazios está relacionada à perda de álcalis do Feldspato. Nos K Feldspatos é possível observar a presença de vazios intra-granulares e formação de microporos em seu interior. Também é possível notar a presença de óxido de ferro realizando a cimentação dos grãos. Como conseqüência do intemperismo da Biotita e da Granada surge o óxido de ferro, o qual é o elemento principal responsável pelo processo de cimentação deste solo. O óxido de ferro age preenchendo os vazios e ligando os minerais ao seu redor. Em função do fato do solo ser oriundo de uma rocha intermediária apresenta discreta presença de grãos de quartzo. Na lâmina analisada, como indicado na Figura 5.3 pela seta em amarelo, foi possível visualizar certa orientação estrutural, principalmente no alinhamento entre os Feldspatos. Esta xistosidade é proveniente do processo de formação da rocha de origem. A análise da lâmina petrográfica classificou o solo como sendo residual jovem com feldspato, biotita muito alterada, K feldspato.

78 78 Vazios Dispersos no Feldspato Plagioclásio Biotita Alterada + Óxido de Ferro Vazios Entre-grãos Orientação Xistosidade Foliação Detalhe Granada K Feldspato Vazios Intra-grãos Figura 5.3 Lâmina Petrográfica. Fechamento por Cimentação Vazios Intra-grãos Vazios Entre-grãos Figura 5.4 Lamina Petrográfica Ampliação do Detalhe na Fig. 5.3.

79 79 Em conjunto com a observação da lâmina petrográfica, as frações de material retidos na peneira 40, 200 e passante na 200 foram analisadas na lupa binocular. De maneira esquemática foram representados na Tabela 5.5 os minerais observados em cada fração: Tabela 5.5 Resultados da observação com a lupa binocular. Fração Ordem Mineral Retido #40 Predominante Quartzo Predominante Concreções com argila e óxido de ferro Discreto Feldspato Retido #200 Predominante Mica Muito Alterada (lamelar) Presente Quartzo Discreto Feldspato Passante #200 Predominante Argila Presente Laminas de Mica muito alterada Difração de Raio-X Através da técnica de difração de Raio-X, foram realizadas uma série de 3 análises para se determinar os minerais constituintes do solo em estudo. Para tanto, se utilizou o método do pó. Foram analisadas as frações correspondentes aos retido nas peneiras 40, 400 e 200. Nos difratogramas que apresentam picos estreitos, simétricos e bem definidos (i.e. mais intensos) caracterizam os minerais com estrutura cristalina bem definida, podendo indicar ainda uma maior porcentagem deste mineral na amostra. Os minerais podem ainda ser identificados por picos menos intensos e largos e como mineral traço. Na seqüência são apresentados os difratogramas com os respectivos minerais identificados conforme a granulometria das frações analisadas.

80 80 Caulinita Quartzo Feldspato Alterado Figura 5.5 Difratograma Material Retido na peneira 40. Caulinita Feldspato Alterado Quartzo Figura 5.6 Difratograma Material Retido na peneira 200.

81 81 Caulinita Feldspato Alterado Quartzo Figura 5.7 Difratograma Material Retido na peneira Propriedades Não-Saturadas Para o entendimento e caracterização das propriedades não-saturadas, executou-se uma série de ensaios que compreenderam a determinação da curva característica via papel filtro, porosimetria de mercúrio e técnica de análise digital de imagens. Nos itens que seguem estão dispostos os resultados destas análises Curva de retenção de umidade No gráfico da Figura 5.8 apresenta-se a curva de retenção de umidade do solo estudado. Conforme mencionado no Capítulo 4, item , sua determinação foi realizada utilizando o método do papel filtro. Neste gráfico foram representadas as sucções mátricas referentes ao papel filtro disposto no topo e base, bem como a media entre ambos a qual foi estabelecida como sendo a sucção final. Para a determinação da sucção foram utilizadas as equações de calibração do papel filtro propostas por Chandler et. al. (1992) que estão apresentadas na Tabela 5.6.

82 82 Tabela 5.6 Equação de Calibração do Papel Filtro. Autor Chandler et al. Calibração log S = w f ; w f - 47 log S = logw f ; w f - > Succção Topo 30 Sucção Base Sucção Média Umidade Volumétrica (%) ' Sucção Mátrica (kpa) Figura 5.8 Curva de retenção de umidade. Analisando o formato da curva de retenção de umidade (linha tracejada) nota-se uma entrada de ar, sendo classificada como unimodal. De maneira complementar foram realizados dois ajustes através dos modelos de Van Genuchten (1980) e Fredlund & Xing (1994). As equações utilizadas nos ajustes bem como os parâmetros adotados encontram-se dispostos na Tabela 5.7.

83 83 Tabela 5.7 Equações de Ajuste para a Curva Característica. Autor Equação Parâmetros Van Genuchten (1980) Ws w = n Ψ 1 + a m a, n, m Fredlund e Xing (1994) Ws w = c( Ψ) Ψ ln e + a n m a, n, m, c(ψ) Os parâmetros de ajuste a, n, m e w s podem ser obtidos através de interpolações gráficas com a curva de retenção de água, utilizando-se de uma planilha eletrônica do tipo Excel. Os valores utilizados nos ajustes estão representados na Tabela 5.8. Tabela 5.8 Valores dos Parâmetros de Ajuste (Curva Característica). Modelo Parâmetros (adotados) a m n W s Van Genuchten (1980) Fredlund e Xing (1994) 1,89x ,5624 0, ,48 0,5418 0,31 No gráfico da Figura 5.9 apresentam-se plotados os resultados do ensaio para determinação da curva de retenção de umidade utilizando o método do papel filtro bem como os ajustes propostos por Fredlund & Xing juntamente com Van Genuchten. Pode-se notar uma boa concordância entre os ajustes utilizados com a curva de retenção do solo em estudo.

84 Valores de Ensaio Ajuste Fredlund & Xing Ajuste Van Genuchten 25 Umidade Volumétrica (%) Sucção Matrica (kpa) Figura 5.9 Curva Característica com ajustes Porosimetria de Mercúrio Na Figura 5.10 esta representada a curva de distribuição de poros obtida através da técnica de injeção de mercúrio. A porosidade medida foi de 37,64%. 30 Volume Injetado/Volume Total (%) Diâmetro dos Poros (μm) Figura 5.10 Curva de Distribuição de Poros.

85 85 Utilizando a classificação proposta por IUPAC, Tabela 5.9, foi possível através da curva de distribuição de poros observar as concentrações de microporos, mesoporos e macroporos. A curva apresenta um comportamento bimodal, ou seja, concentração de poros em dois diâmetros de poros distintos. Esta característica é própria de solos residuais, que tipicamente apresentam poros entre partículas e poros entre agregados de partículas. Essa tendência já foi observada por outros autores em ensaios de porosimetria com solos residuais (e.g. Machado, 1998). Tabela 5.9 Classificação IUPAC (Diâmetro de Poros). Classificação Macraporo Mesoporo Microporo (μm) (μm) (μm) IUPAC Ø < 0,2 0,2 < Ø < 0,5 Ø > 0, dv/dlogd (cm³/g) Mesoporos 0.02 Microporos Macroporos Diâmetro dos Poros (μm) Figura 5.11 Curva de Distribuição de Poros

86 Umidade Volumétrica Sucção Matrica (kpa) Figura 5.12 Curva característica Porosimetria de Mercúrio. Como apresentado na Figura 5.12, a partir dos resultados do ensaio de porosimetria de mercúrio foi determinada a curva de retenção de umidade. Para tanto foram utilizadas as considerações mencionadas no Capítulo 4. Pode-se notar uma boa correlação entre as técnicas para valores altos de sucção. Entretanto, para valores de sucção abaixo de 1000 kpa o ajuste já não se mostra satisfatório. Indo de encontro ao observado na técnica do papel filtro, que aparentava possuir um único valor de entrada de ar, o comportamento da curva de retenção de umidade proveniente do ensaio de porosimetria de mercúrio indica a existência de dois valores de entrada de ar Microscopia Digital de Varredura, O processo de captura da imagem da lamina foi realizado através da técnica de varredura. Esta técnica consiste em capturar imagens, ao longo da lamina, através de deslocamentos conhecidos para no final se compor um mosaico com as fotos. Para tanto o equipamento possui uma mesa servo controlada que desloca a lamina até a posição definida pelo software.

87 87 Com o intuito de tornar o trabalho de captura e análise da imagem menos moroso, em vista o tamanho dos arquivos gerados, a digitalização foi realizada em quatro etapas. Segue na Figura a seguir a configuração das divisões realizadas. AM 1-4 AM 2-4 AM 3-4 AM 4-4 Figura 5.13 Lâmina Petrográfica Completa. Através da técnica de análise adotada foi possível a inserção de filtros que pudessem traduzir as características morfo-estruturais do solo. Para tanto houve a tentativa de se realizar a contagem dos pixels referentes aos vazios, representados pela cor azul, em cada seção da lâmina. Na Tabela 5.10 estão apresentados os resultados referentes às análises de cada secção. Tabela 5.10 Relação das Porosidades Através da Técnica de Microscopia Digital de Varredura. Seção Porosidade (%) Porosidade Média 4.77 Notavelmente a porosidade na secção 1-4 apresenta um valor menor que as outras. Diferenças como esta eram esperadas por se tratar de um solo que apresenta grande heterogeneidade.

88 88 Os valores de porosimetria obtidos através dos Índices Físicos e utilizando as técnicas de Porisimetria de Mercúrio e Microscopia Digital de Varredura (MDV) estão representados na Tabela A análise destes resultados sugere que a porosidade determinada através dos Índices Físicos representa a porosidade total enquanto os valores determinados através da técnica de Porosimetria de Mercúrio indicariam a porosidade efetiva (i.e. vazios interconectados). O valor obtido com a MDV foi muito menor que os demais. Partindo do pressuposto de que tal valor é irreal, uma possível explicação para tal estaria na dificuldade de se encontrar um filtro que permitisse uma identificação adequada dos vazios do material. Deve-se ressalvar que as técnicas de Porosimetria de Mercúrio e MDV possuem limitações. Ambas apresentam a problemática da representatividade das amostras utilizadas em função de seus tamanhos reduzidos. Além disso, acreditase que a aplicação de Mercúrio a altas pressões possa vir a alterar a estrutura do solo cimentado, alterando assim as propriedades de porosidade. Acredita-se também que em função da técnica de MDV realizar uma analise em 2D que os valores de porosidade possam não ser representativos. Tabela 5.11 Porosidades Através das diferentes. Porosimetria de Microscopia Digital Índices Físicos Mercúrio de Varredura Porosidade 46,85 37,64 4,77 (%)

89 6 Apresentação e Análise dos Resultados No presente Capítulo encontram-se apresentados os resultados dos ensaios triaxiais realizados. Primeiramente serão descritas as características de cada ensaio com subseqüente apresentação dos resultados. Será exposto o comportamento mecânico, trajetórias de tensões, bem como a determinação dos Módulos Iniciais para cada ensaio. Ao final do Capítulo é realizada uma análise conjunta dos resultados. As trajetórias de tensões foram plotadas no diagrama utilizado pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT), dos Estados Unidos (Lambe e Whitman, 1979), onde no eixo das abscissas é plotado o valor de s e t nas ordenadas. σ 1 + σ 3 s = 2 σ 1 σ 3 t = eqs Em termos de tensões efetivas s' = s u t ' = t eqs Ensaios Triaxiais Como apresentado no Quadro 6.1, foram realizados um total de 15 ensaios Triaxiais, sendo dez executados em prensa com deformação controlada da Wikeham Farrance, e cinco no equipamento tipo Imperial College com controle de trajetória de tensão.

90 90 Quadro 6.1 Organograma dos ensaios triaxiais realizados. Ensaios Triaxiais (15) Deformação Controlada (10) Tensão Controlada (5) Consolidados Drenados (6) Consolidados Não Drenados (4) Consolidados Drenados (5) Amostra Indeformada (3) Amostra Remoldada (3) Acréscimo de Poro-pressão (3) Trajetória s Constante (2) Os ensaios executados com deformação controlada foram divididos em dois grupos. O primeiro grupo compreende seis ensaios consolidados drenados e o segundo quatro não drenados. Dentro ainda dos ensaios drenados foram realizados metade deles com amostras não amolgadas e a outra com corpos de prova remoldados. Ressalta-se que em todos os demais ensaios realizados foram utilizadas amostras não amolgadas. Utilizando o equipamento com tensão controlada foram realizados cinco ensaios consolidados drenados os quais foram divididos em dois grupos. No primeiro grupo de ensaios três corpos de prova foram solicitados à ruptura através do aumento de poro-pressão a qual conferiu o desenvolvimento de uma trajetória horizontal no sentido do eixo t até atingir a ruptura. O segundo grupo é composto de dois ensaios, os quais foram solicitados a trajetórias de tensões efetivas verticais, no plano s x t, com o valor de s constante após a etapa de adensamento. A nomenclatura utilizada é apresentada na Tabela 6.1. Para os ensaios realizados sobre condição de deformação controlada, as siglas (CID) e (CIU) indicam respectivamente ensaios consolidados drenados e consolidados não drenados. Os números arábicos apresentam as tensões de adensamento aplicadas e os números romanos indicam a ordem em que os ensaios foram realizados. Para

91 91 os ensaios com tensão controlada solicitados a ruptura por aumento de poropressão (APP), inicialmente os números arábicos separados por hífen representam respectivamente os valores de s e t. Os números romanos que indicam a ordem do ensaio. Para os ensaios de tensão controlada com s constante o índice inicial S faz referência ao tipo de ensaio executado. Em números arábicos seguem indicados os valores de s que foram mantidos constantes durante o ensaio. Novamente os números romanos indicam a ordem de execução dos ensaios. Na Tabela 6.1 estão representadas as nomenclaturas referentes aos ensaios de deformação e tensão controlada. Tabela 6.1 Representação das nomenclaturas utilizadas. Deformação Controlada Tensão Controlada APP S Constante CID R 50 II XI S 75 XIV Condição de Drenagem Remoldado Ordem de Execução do Tensão de Ensaio Adensamento Tensão de Adensamento (S ) Valor de t cte até a Ruptura Ordem de Execução do Ensaio Ensaios com S cte após o adensamento até a ruptura Valor de S cte até a Ruptura Ordem de Execução do Ensaio Na seqüência, serão apresentados os resultados dos ensaios em grupos, conforme o organograma apresentado no Quadro 6.1. Inicialmente serão descritos os ensaios realizados no equipamento triaxial com deformação controlada e na seqüência os realizados na prensa com controle da trajetória de tensões. A Tabela 6.2 apresenta, de maneira resumida, as características dos ensaios realizados bem como os índices físicos associados a cada uma das amostras ensaiadas.

92 92 Tabela 6.2 Resumo das Propriedades dos Corpos de Prova. Corpo de Prova Características dos Ensaios Tipo Controle Adensamento Corpo de Prova / Índices Físicos Gs= 2.86 CID CIU Tensão Deformação Tensão (kpa) Remoldado Indeformado Massa (g) wi (%) wf (%) S(%) e 0 n γsat CIU 300 I X X 300 X CIU 200 II X X 200 X CIU 50 III X X 50 X CIU 25 IV X X 25 X CID 150 V X X 150 X CID 125 VI X X 125 X CID 75 VII X X 75 X CIDR 200 VIII X X 200 X CIDR 125 IX X X 125 X CIDR 50 X X X 50 X XI X X 125 X XII x X 125 X XIII x X 225 X S 75 XIV x X 75 X S 250 XV x X 250 X

93 6.2. Ensaios Triaxiais com Deformação Controlada Dentro deste grupo estão dispostos 11 ensaios triaxiais os quais serão separados em dois grupos para melhor interpretação dos resultados. Para facilitar a análise dos gráficos, eles foram plotados na mesma escala com relação ao eixo das abscissas Ensaios Consolidados Drenados Serão apresentados a seguir os resultados dos ensaios triaxiais consolidados drenados realizados em amostras não amolgadas e remoldadas do solo residual de Gnaisse proveniente do Alto Leblon. A intenção deste procedimento é analisar a influência da cimentação no comportamento mecânico. A utilização dos eletroníveis nas análises se restringiu somente na determinação dos módulos iniciais. Logo, os gráficos σd : εaxial e εvolumétrica : εaxial apresentados na seqüência estão plotados com valores de deformação axial provenientes das leituras com o LSCDT. Para que fosse garantida a condição de dissipação de poro-pressão durante estes ensaios drenados foi adotada uma velocidade de cisalhamento de mm/min, menor que a computada de acordo com Gibson & Henkel (1954) Amostras Não Amolgadas Os referidos ensaios foram executados com valores de consolidação respectivamente de 75, 125 e 150 kpa. Foram monitoradas as deformações axiais, variações volumétricas, tensão desviadora e deformações axiais no corpo de prova. Os resultados do monitoramento das deformações axiais internas serão apresentas mais adiante. São apresentados os resultados dos ensaios na Figura 6.1, que relacionam a deformação axial com a tensão desviadora (a) e deformação volumétrica (b).

94 σd (KPa) CID CIDV CID CIDVI CID 75C IDVII (a) εaxial (%) 6 5 CID CIDVI εvolumétrica (KPa) (b) Expansão Compressão Dilatância CID CIDV CID CIDVII εaxial (%) Figura 6.1 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Não amolgadas). Os ensaios 150 CID e 125 CID fornecem curvas com ausência de picos, diferentemente do ensaio 75 CID. O pico apresentado no ensaio 75CID está atribuído ao efeito de dilatância como pode ser observado na Figura 6.1 (b). A Figura 6.2 representa as trajetórias de tensões obtidas quando solicitados ao cisalhamento na condição drenada. A análise quanto à resistência será realizada de forma conjunta aos outros ensaios triaxiais mais adiante no item

95 95 Conforme indicado na Figura 6.2 (linha tracejada), uma envoltória não linear (ou bi-linear) poderia estar associada a estes resultados. Tal seria decorrente da cimentação do material indeformado. Entretanto, conforme se verá adiante, isto não corresponde ao encontrado ao final do trabalho CID 150 V 150 Indeformado t (K Pa) CID 75 VII 75 Indeformado CID 125 VI 125 Indeformado CID 75 VII Amostras CID 150 V Não Amolgadas CID 125 VI s' (K Pa) Figura 6.2 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Não amolgadas) Amostras Remoldadas Três corpos de prova remoldados, através do método descrito no Capítulo 4 item , foram submetidos ao cisalhamento triaxial na condição drenada para as tensões de adensamento de 200, 125 e 50 kpa. Os resultados são apresentados na Figura 6.3. De maneira distinta aos ensaios anteriormente descritos no item , a medição da deformação axial interna não foi realizada. Isto se deu em função do fato da prensa em que estes ensaios foram realizados não possuir câmara com dimensões adequadas à instalação de tal instrumento.

96 CIDR CIDRVIII 200 σd (KPa) CIDR 125 CIDR 125 IX CIDR 50 CIDR 50 X (a) εaxial (%) 6 5 CIDR 125 CIDR 125 IX εvolumétrica (KPa) CIDR CIDRVIII CIDR 50 CIDR 50 X Expansão Compressão (b) εaxial (%) Figura 6.3 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Remoldadas). Como esperado, o comportamento apresentado pelas 3 amostras remoldadas foi bastante semelhante não indicando a presença de picos. Isto de deve à reorganização da estrutura o que confere ao solo a perda da cimentação conforme evidenciado por Vaughan et al, O comportamento das curvas da Figura 6.3 (b) retrata o comportamento típico de amostras remoldadas caracterizado pela deformação volumétrica de compressão.

97 97 Na seqüência são apresentadas as trajetórias de tensões para os referidos ensaios CIDR 200 Remoldado 200 VIII 200 t (K pa) CIDR Remoldado 125 IX CIDR Remoldado 50 X CIDR 200 VIII CIDR 125 IX CIDR 50 X s' (K Pa) Figura 6.4 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados em amostras Remoldadas). Como era esperada, em função da desestruturação sofrida no processo de remoldagem (i.e. quebra da cimentação), a envoltória de resistência apresenta um comportamento linear (linha pontilhada da Figura 6.4) Ensaios Consolidados Não Drenados (CIU) Um total de cinco ensaios consolidados não drenados foi executado. Na etapa de cisalhamento, todos mostraram curvas tensão-deformação sem a presença de pico de resistência, como pode-se observar na Fig.6.6. No entanto na Figura 6.5 (b) o ensaio CIU 50 mostrou um comportamento distinto dos demais apresentando uma variação de poro-pressão negativa.

98 CIU CIUI σd (KPa) CIU CIUII CIU CIUIII CIU CIUIV (a) εaxial (%) Δu (KPa) CIU CIUII CIU CIUI CIU CIUIV CIU 50 CIU 50 III (b) εaxial (%) Figura 6.5 Comparação entre as curvas σd : εaxial com Δu : εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Não Drenados). Da mesma forma que nos ensaios drenados apresentados no item (6.2.1). Nos ensaios não drenados, não foi notada a presença de picos de resistência, indo de encontro ao esperado devido ao fato de terem sido observadas cimentações nas análises de microscopia óptica. Acredita-se que tal cimentação tenha sido danificada pelo processo de secagem a que o material foi submetido durante a estocagem do mesmo na câmera úmida do Laboratório de Geotecnia e Meio

99 99 Ambiente da PUC-Rio, no período de 1999 (data de amostragem) e 2007 (início dos presentes ensaios). Seguem representadas na Figura 6.6 as trajetórias de tensões dos ensaios triaxiais de cisalhamento sob condição não drenada com um ajuste linear para a envoltória de resistência CIU CIU I t (K Pa) CIU CIU II 75 CIU 50 CIU 50 III 50 CIU 300 II CIU 25 CIU 25 IV CIU 200 III 25 CIU 25 IV CIU 50 III s' (K Pa) Figura 6.6 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Não Drenados) Ensaios Triaxiais Realizados com Controle de Tensões Todos os cinco ensaios realizados no equipamento triaxial com controle de trajetórias de tensões foram executados na condição drenada. Duas condições de carregamento foram estudadas, para tanto foi realizada uma série de três ensaios de carregamento axial seguido de aumento de poro pressão até a ruptura, e outros dois ensaios, com trajetória de tensão vertical no plano s :t (s constante). Para melhor análise dos resultados será apresentado separadamente cada grupo de ensaios.

100 Ensaios Trajetória de Tensão Aumento de Poro-pressão Para execução destes ensaios foi programada uma rotina de aplicação de pressões, a qual em seu estagio inicial aplicou um aumento de tensão desviadora na condição de s constante. Após o valor de t ter alcançado, para os referentes ensaios, os valores de 30, 60 e 75 kpa dava-se inicio ao novo estágio onde ocorria a aplicação de poro-pressão, seguindo uma taxa que possibilitava o controle de t na condição de constância até a ruptura. Na Figura 6.7 estão representadas as curvas referentes à σd : εaxial e, respectivamente, à εvolumétrica : εaxial. O comportamento do solo às trajetórias de tensões programadas pode ser observado na Figura 6.8. Os picos de tensão e de deformação volumétrica não indicam a ruptura dos corpos de prova e sim o momento em que o equipamento para de aplicar acréscimos de tensão desviadora e inicia o estágio de aumento de poro-pressão até a ruptura com tensão desviadora constante.

101 XIII 70 σd (KPa) XII XI 10 (a) εaxial (%) XII XIII XI (b) Figura 6.7 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões).

102 t (K Pa) XIII XII XI XIII XI XII s' (K Pa) Figura 6.8 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões). Analisando as deformações volumétricas apresentadas nestes ensaios (Figura 6.7-b) é possível notar que no primeiro estágio (i.e. aumento de t), as amostras indicam um comportamento compressivo enquanto que no estágio seguinte apresentam expansão. Este último comportamento se deve à trajetória de aumento de poro-pressão aplicada, que impõe um aumento do volume de água no corpo de prova. Através das trajetórias de tensões dispostas na Figura 6.8 é possível o ajuste de uma envoltória de resistência linear Ensaios Trajetória de Tensão s Constante Nestes ensaios foi buscada a condição de acréscimo de t mantendo-se o valor de s constante até a ruptura. A trajetória vertical representa um descarregamento lateral com aumento de tensão desviadora, mantendo-se constante o nível médio de tensões.

103 103 Na Figura 6.9 são apresentados o comportamento mecânico em termos de tensão desviadora e deformação volumétrica relacionados à deformação axial S 250 XIV s' 100 σd (KPa) S 75 XV s' (a) εaxial (%) 6 5 εvolumétrica (KPa) S 250 s' XIV Expansão Compressão (b) S 75 s' XV εaxial (%) Figura 6.9 Comparação entre as curvas σd : εaxial com εvolumétrica :εaxial (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões s cte.). Para os ensaios realizados com o valor de s constante, foram seguidas as envoltórias de tensões da Figura O comportamento que a trajetória de tensões segue após a ruptura decorre da tentativa do equipamento servo controlado de manter o valor de s constante.

104 t (K Pa) S 250 s' XIV S 75 s' XV 50 s' 75 XIV 25 s' 250 XV s' (K Pa) Figura 6.10 Trajetória de Tensão (Ensaios Triaxiais Consolidados Drenados com Controle da Trajetória de Tensões s cte.). Com relação à análise da Figura 6.9 é notável nestes ensaios a ausência de picos de resistência e que a ruptura foi governada pela dilatância Determinação do Módulo Inicial Através da análise dos gráficos de tensão desviadora versus deformação axial, foi determinado o Módulo Inicial para cada ensaio. Para tanto, foi utilizado além do transdutor de deslocamento LSCDT o medidor de deformação axial interna tipo Imperial College. A Tabela que segue relaciona os ensaios monitorados com a utilização do medidor de deformação axial tipo Imperial College. Tabela 6.3 Relação de ensaios instrumentados com Eletronível. Ensaios com Monitoramento utilizando Eletronível Deformação CIU CID Controlada Todos Indeformados CD 75 / 150 Remoldados Nenhum Tensão S constante Excesso de poro-pressão Controlada Todos Todos

105 105 Seguindo a metodologia de apresentação de resultados utilizada nos itens anteriores, serão expostos os resultados separadamente, conforme a Tabela 6.3. Com o intuito de minimizar uma potencial influência causada por diferenças nos índices de vazios nos resultados, optou-se por normalizar os módulos inicias por (1+eo). Nos gráficos a seguir, que comparam os Módulos Iniciais correlacionados às tensões de adensamento, o índice N nas legendas refere-se aos valores dos Módulos Iniciais normalizados Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados Drenados Neste item serão relacionados os ensaios triaxiais consolidados drenados realizados em amostras não amolgadas e remoldadas. Dentre os ensaios realizados na condição consolidada drenada somente os ensaios realizados com corpos de prova indeformados foram monitorados com o auxílio dos eletroníveis. Nos ensaios triaxiais com corpos de prova indeformados foram registradas as leituras do eletronível somente para os realizados com respectivas tensões de adensamento de 75 e 150 kpa. O ensaio com tensão de adensamento de 125 kpa foi instrumentado, porém ocorreram problemas que ocasionaram na perda destes dados. Foram determinados os Módulos Iniciais para os ensaios realizados com corpos de prova remoldados utilizando-se somente a medida de deformação axial fornecida pelo LSCDT. Os resultados desta análise estão dispostos na Figura Na Figura 6.11 são comparados os valores dos módulos provenientes das análises das deformações axiais mensuradas utilizando os eletroníveis e os transdutores de deslocamento LSCDT normalizados e não normalizados respectivamente.

106 106 9.E+04 8.E+04 7.E+04 6.E+04 CD LSCDT CD Eletronível CD Eletronível N. CD LSCDT N. Módulo Inicial 5.E+04 4.E+04 3.E+04 2.E+04 1.E+04 0.E Tensão Confinante (KPa) Figura 6.11 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CD. 9.E+04 8.E+04 7.E+04 CDR LSCDT CDR LSCDT N. Módulo Inicial 6.E+04 5.E+04 4.E+04 3.E+04 2.E+04 1.E+04 0.E Tensão Confinante (KPa) Figura 6.12 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CDR.

107 Módulo Inicial para os Ensaios Consolidados Não Drenados Observando os módulos iniciais determinados para os ensaios consolidados não drenados dispostos na Figura 6.13 é possível notar a influência do índice de vazios quando se normaliza os ensaios CIU LSCDT. Isto está evidenciado pela diferença de inclinação entre as linhas de tendência dos módulos iniciais. 1.E+05 1.E+05 1.E+05 CIU Eletronível CIU LSCTD CIU Eletronível N. CIU LSCTD N. Módulo Inicial 8.E+04 6.E+04 4.E+04 2.E+04 0.E Tensão Confinante (KPa) Figura 6.13 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios CIU Módulo Inicial para os Ensaios com Controle de Trajetória de Tensões Neste item serão apresentados juntamente os resultados dos valores dos módulos iniciais para os ensaios de aumento de poro-pressão e s constante. Para os ensaios de aumento de poro-pressão seu comportamento com relação ao Módulo Inicial esta apresentado na Figura 6.14.

108 108 9.E+04 8.E+04 7.E+04 6.E+04 APP Eletronível APP LSCTD APP LSCDT N. APP Eletronível N. Módulo Inicial 5.E+04 4.E+04 3.E+04 2.E+04 1.E+04 0.E Tensão Confinante (KPa) Figura 6.14 Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios de descarregamento lateral. Na Figura 6.15 estão os resultados obtidos para os ensaios que sofreram cisalhamento sobre a trajetória com o valor de s constante. 9.E+04 8.E+04 7.E+04 6.E+04 s' LSCDT s' Eletronível s' Eletronível N. s' LSCDT N. Módulo Inicial 5.E+04 4.E+04 3.E+04 2.E+04 1.E+04 0.E Tensão Confinante (KPa) Figura Comparação entre Módulos Iniciais para ensaios com s constante.

109 Análise Conjunta dos Resultados De modo a complementar os resultados anteriormente apresentados, será realizada, a seguir, uma análise conjunta dos ensaios quanto a Resistência e aos Módulos Iniciais Resistência Ensaios Drenados e Não Drenados Como era de se esperar baseado no descrito na literatura (e.g. Atkinson & Bransby, 1978), os ensaios consolidados drenados e não drenados apresentam uma envoltória de resistência única. Conforme é possível de ser observado no ajuste realizado na Figura 6.16, tal envoltória é linear Envoltória Única t (K Pa) CID 75 VII CID 150 V CIU 300 I CIU 200 II CIU 25 IV CIU 50 III CIDR 200 VIII CIDR 125 IX CID 125 VI CIDR 50 X s' (K Pa) Figura 6.16 Envoltória Única de Resistência. Os parâmetros de resistência correspondentes a esta envoltória estão dispostos na Tabela 6.4.

110 110 Tabela 6.4 Valores dos Parâmetros de Resistência. Parâmetros de Resistência a (kpa) α (Graus) c (kpa) Ø (Graus) Ensaios Drenados com Amostras Não Amolgadas e Remoldadas Analisando o comportamento dos ensaios drenados quanto à envoltória de resistência é possível notar claramente a existência de um ajuste linear entre os ensaios tanto com amostras não amolgadas quanto com remoldadas (Figura 6.17). Este comportamento sugere que o processo de secagem dos corpos de prova ocasionou desestruturação do material. Pois era de se esperar que a resistência relacionada aos corpos de prova indeformados fosse maior em se considerando a existência de cimentação. Esta constatação ficará mais evidenciada na análise realizada no item Envoltória Única 200 Remoldado CIDR 200 VIII t (K Pa) CID 125 IX 125 Indeformado CIDR 125 Remoldado 125 IX CID 150 XI 150 Indeformado CIDR 50 Remoldado 50 X 75 CID Indeformado 75 XII CID 75 XII CID 150 XI CIDR 200 VIII CIDR 125 IX CID 125 VI 25 CIDR 50 X s' (K Pa) Figura 6.17 Trajetória de Tensões dos Ensaios Drenados.

111 Ensaios com s Constante e Aumento de Poro-Pressão (APP) Para o gráfico da Figura 6.18 existem duas trajetórias que descrevem cada tipo de ensaio executado. Os ensaios com s constante seguem a envoltória única descrita no item Entretanto, os ensaios de aumento de poro-pressão apresentaram uma envoltória deslocada para cima na ordem de 10 kpa. No caso, é aparente um aumento do intercepto coesivo, com o ângulo de atrito permanecendo aproximadamente constante (ver Tabela 6.5). Resultados semelhantes a estes foram descritos por Ng & Petley (2006), onde também através de ensaios com trajetória de tensões na condição de acréscimo de poro-pressão notou-se um ganho de resistência. Estes pesquisadores buscaram em seu trabalho estudar o comportamento de um solo residual proveniente de Hong Kong a diferentes taxas de pluviosidade. Para tanto, realizaram 3 ensaios triaxiais na condição CID e 10 APP. Os parâmetros de resistência encontrados para os ensaios CID foram =29 o e c =8.3 kpa e para os ensaios realizados com aumento de poro pressão =30,7 o e c =14,1 kpa. Da mesma forma os valores do intercepto coesivo se mantiveram muito próximos e os valores de coesão efetiva diferiram na casa de 5 kpa. Os referidos autores não discutiram as possíveis causas desta diferença entre os parâmetros de resistência dos ensaios APP para os demais. Explicações teóricas para este comportamento a princípio não foram encontradas. Considerando que todos estes ensaios foram executados no mesmo equipamento e usando os mesmos transdutores, não é de se esperar que eventuais problemas de calibração pudessem ter interferido nestes resultados. Considerando que o aumento das poro-pressões foi efetuado a uma velocidade de carregamento aleatoriamente definida, acredita-se que possa ter ocorrido um erro experimental oriundo de uma medição de poro-pressão não representativa nos ensaios APP. Em outras palavras, podem ter sido realizadas leituras de poro-pressão na base que fossem menores das exercidas a meia altura do corpo de prova. Sugerindo assim que a tensão efetiva fosse maior, o que justificaria o deslocamento da trajetória de tensão para a esquerda. Para validar esta justificativa é necessária a execução de ensaios com medição de poro-pressão na parte média do corpo de prova.

112 t (K Pa) Envoltória APP Envoltória Geral s' 75 XIV s' 250 XV XI XII XIII s' (K Pa) Figura 6.18 Trajetória de Tensões dos Ensaios s constante e APP. Tabela 6.5 Valores dos Parâmetros de Resistência APP. Parâmetros de Resistência APP a (kpa) α (Graus) c (kpa) Ø (Graus) Comparação com Solo Estruturado Cabe a este item a comparação entre a envoltória de resistência encontrada no presente trabalho com a apresentada no estudo desenvolvido por Oliveira (2000). Vale salientar que os ensaios executados na presente dissertação foram realizados em blocos amostrados para o primeiro estudo no ano de Como mencionado no capítulo 4, item 4.2.4, os blocos estavam envoltos em filme de PVC, papel alumínio, talagarça e parafina e acondicionados na câmara úmida do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Porém, apesar dos cuidados despendidos as propriedades relacionadas à umidade não foram mantidas.

113 113 Analisando a Figura 6.19 nota-se a diferença de comportamento entre a envoltória definida por Oliveira (2000), representada pela linha cheia, em relação à definida no presente trabalho, representada pela linha tracejada. Esta diferença de comportamento evidencia a perda de cimentação devido ao processo de secagem. Tal possibilidade já fora levantada na comparação dos resultados dos ensaios executados nas amostras indeformadas e amolgadas (ver item ). A diferença entre os valores de resistência na ruptura quando comparadas a envoltórias chegou ao máximo de 60 kpa. Esta diferença ressalta a importância em termos de resistência que a cimentação exercia sobre o solo antes do processo de secagem Oliveira 2000 t (K P a) 175 Envoltória Geral 150 CID 75 VII CID 150 V CIU 300 I 125 CIU 200 II CIU 25 IV 100 CIU 50 III CIDR 200 VIII CIDR 125 IX 75 CID 125 VI CIDR 50 X 50 s' 75 XIV s' 250 XV XI XII XIII E. R. Anterior s' (K P a) Figura 6.19 Trajetória de Tensões Comparada com Estudos Anteriores. Analisando os resultados dos ensaios realizados no presente trabalho é possível através da linha tracejada (i.e. Envoltória Geral) Figura 6.19 notar o bom ajuste linear entre as diferentes trajetórias de tensões empregadas (ensaios CIU, CID com amostras indeformadas, CID com amostras remoldadas e ensaios com controle de s constante).

114 114 Baseado nas definições propostas por Atkinson & Bransby (1978), que seguem expostas Capítulo 2 item 2.2, acredita-se que a linha tracejada (Envoltória Geral) esteja também representando a linha de estado crítico (CSL) Módulo Inicial Efeito do Índice de Vazios Analisando o gráfico da Figura 6.20 é possível, através da comparação entre os resultados normalizados e não normalizados, verificar a influência do índice de vazios nos valores dos Módulos Iniciais. Apesar dos índices de vazios estarem muito próximos, a normalização dos valores ocasiona uma melhora na definição da linha de tendência dos Módulos Inicias com o aumento da tensão efetiva de adensamento. Com o intuito de eliminar esta influência, nas análises seguintes serão utilizados somente os valores dos Módulos Iniciais Normalizados. É possível também através da análise do gráfico da figura 6.20 notar a razão entre os valores dos Módulos Iniciais na casa de duas vezes. Conforme mencionado por Marinho (1986), a razão entre os valores dos Módulos Iniciais determinados utilizando-se Eletroníveis em relação aos determinados com LSCDT podem chegar à casa de seis vezes.

115 E E E+05 CIU Eletronível Módulo Inicial 8.0E E+04 CIU Eletronível Normalizado 4.0E+04 CIU LSCDT 2.0E+04 CIU LSCDT Normalizado 0.0E Tensão Efetiva de Adensamento (KPa) Figura 6.20 Efeito do Índice de Vazios nos Módulos Iniciais Ensaios Drenados com Amostra Indeformada e Remoldada O comportamento quanto aos Módulos Inicias provenientes dos ensaios realizados em amostra não amolgadas e remoldadas é bastante similar. Infelizmente, como mencionado anteriormente, os ensaios remoldados não foram instrumentados com os eletroníveis. Porém, através de uma analogia com o comportamento entre os módulos oriundos das deformações medidas com o LSCDT, é possível prever que o comportamento se mantenha o mesmo. Na Figura 6.21 estão representados os Módulos Iniciais relacionados às respectivas tensões efetivas de adensamento. As linhas tracejadas indicam as tendências entre os Módulos Iniciais Normalizados. A proximidade dos valores dos Módulos Iniciais nos ensaios realizados com amostras amolgadas e não amolgadas representa mais um indício da perda de cimentação do solo. Pois era de se esperar que a relação entre os valores dos Módulos Iniciais fosse maior, baseando esta análise ao fato de que os solos cimentados apresentam maior rigidez quando comparados aos desestruturados (i.e. amolgados).

116 E E+04 CID Elétronivel Normalizado 4.0E E+04 Módulo Inicial 3.0E E E+04 CID LSCDT Normalizado 1.5E E+04 CID R LSCDT Normalizado 5.0E E Tensão Efetiva de Adensamento (KPa) Figura 6.21 Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados Remoldado e Indeformado Ensaios com s Constante e Aplicação de Poro-Pressão (APP) Para efeito de análise dos Módulos Iniciais os ensaios s constante e APP são considerados como sendo do mesmo tipo, pois em seus estágios iniciais seguiu-se a mesma trajetória de tensões com s constante e acréscimo de t. No gráfico da Figura 6.22 encontram-se agrupados os resultados de tais ensaios, bem como os dos ensaios CIU e CID convencionais. Observa-se na Figura 6.22 uma grande influência da trajetória de tensões nos Módulos Iniciais, com os correspondentes aos ensaios convencionais sendo cerca de 2,5 a 3 vezes maiores que os advindos dos ensaios iniciados com s constante.

117 E+04 CiD ELETRONÍVEL N. 7.0E+04 CIU ELETRONÍVEL N. 6.0E+04 s' cte ELETRONÍVEL N. 5.0E+04 APP ELETRONÍVEL N. Módulo Inicial 4.0E E E E E Tensão Efetiva de Adensamento (KPa) Figura 6.22 Módulos Iniciais dos Ensaios Drenados sob trajetória de tens.

118 7 Desenvolvimento de Equipamento Triaxial Não Saturado O presente capítulo apresenta o desenvolvimento do equipamento triaxial para ensaios na condição não saturada, confeccionado na Oficina do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Trata-se de um equipamento Triaxial servo controlado, parcialmente automatizado, que possibilita tanto a execução de ensaios com tensão, quanto com deformação controlada. Podendo ainda se trabalhar na condição saturada ou não saturada. Para este último caso está equipado com um sistema de controle de sucção e medição de variação de volume total. O conjunto de controle e aquisição de dados utilizados foi desenvolvido na Imperial College. Este equipamento foi projetado para trabalhar com amostras de quatro por oito polegadas com medição de deformação axial interna e com medição do módulo inicial utilizando Bender Elements. Basicamente podemos dividir a equipamento em três partes que seriam a parte de aquisição de dados e comando a segunda o sistema de aplicação de pressões e a terceira fechando o ciclo a instrumentação, que afere as ações realizadas e fornece subsidio a novos comandos. Na Figura 7.1 abaixo segue uma representação do ciclo de controle do equipamento. Figura 7.1 Ciclo de Controle.

119 119 Na seqüência esta representada, de maneira esquemática, o equipamento desenvolvido. A descrição dos componentes será o objeto dos itens seguintes deste capítulo. Figura 7.2 Equipamento Triaxial Não Saturado.

120 120 Quadro 7.1 Convenção das Linhas. Legenda: 1. Câmara Dupla em Nylon. 2. Top em PVC. 3. Câmara externa em acrílico reforçada. 4. Conjunto: Top Cap + Base com PCAEA + Solo. 5. Tampa da Câmara Triaxial. 6. Base Superior da Câmara. 7. Base Inferior da Câmara. 8. Base da Prensa Conexões. 9. Reservatório de Aplicação de Tensão Axial. 10. Pistão da Prensa. 11. Borracha de vedação da Bellofram. 12. Sistema de Medição de Variação de Volume Total do Corpo de Prova. 13. Sistema de Medição de Variação de Volume de Água Aplicada ao Corpo de Prova. 14. Interface Ar/Água 15. Aquisição de Dados. 16. Computador para Tratamento dos Dados e Comando. 17. Box 1 Responsável pela Aplicação de Ar no Topo da Amostra. 18. Box 2 Responsável pela tensão desviadora. 19. Box 3 Responsável pela Aplicação de Água no Corpo de Prova. 20. Transdutor de pressão Afere a Pressão de Ar Aplicada no Topo da Amostra.

121 Transdutor de pressão Afere a Pressão de Água Aplicada no Corpo de Prova. 22. Transdutor de pressão Afere a Tensão Confinante. 23. Célula de carga. 24. LSCDT Medidor de Deformação Axial. 25. LSCDT Sensor do Sistema de Medição de Variação de Volume de Água Aplicada na Amostra. 26. Eletroníveis - Medição de Deformação Axial Interno. 27. Válvula Reguladora de Pressão Responsável Pela Aplicação da Tensão Confinante Descrição do Equipamento A apresentação do equipamento será dividida em partes, para um melhor entendimento. Serão apresentados inicialmente os componentes mecânicos da prensa triaxial, correspondentes aos itens 1 ao 11 da legenda. Em seguida será descrito o sistema de medição de variação de volume desenvolvido. A Figura a seguir mostra o referido equipamento. Figura 7.3 Visão Geral do Equipamento Triaxial para Ensaios Não Saturados.

122 Câmara Triaxial Como em ensaios triaxiais não saturados a medição da variação de volume total do corpo de provas é realizada através da variação de volume da água confinante, a rigidez da célula triaxial é muito importante. Para tanto na tentativa de suprimir a dilatação, facilmente constatada em sistemas que se utilizam de câmaras simples, foi introduzido o conceito da câmara dupla. A técnica da câmara dupla consiste em se utilizar duas câmaras como mostrado na Figura 7.4, onde através da pressurização da célula exterior à mesma pressão que a célula interna, pode-se de maneira eficaz considerar a parede da câmara interna infinitamente rígida. Solucionando assim o efeito da dilatação e possibilitando uma medição de variação de volume de maneira mais eficiente. Câmara Externa Câmara Dupla Figura 7.4 Detalhe Câmara Dupla. A câmara dupla utilizada no equipamento desenvolvido foi gerada a partir de um tarugo de nylon o qual foi usinado na oficina do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. A escolha do material foi realizada levando em consideração as propriedades mecânicas, peso e custo. Em conjunto com a câmara dupla foi utilizada uma câmara externa em acrílico [3], A qual foi reforçada utilizando-se uma fita da 3M. Esta fita adesiva é

123 123 reforçada com filamentos de poliéster que fornecem alta tensão de ruptura, alta resistência ao impacto e alta resistência ao corte. O filme de poliéster proporciona excelente resistência à abrasão, umidade e desgaste. Para o fechamento da célula triaxial foram confeccionadas 3 peças em duralumínio naval liga 5052F, itens 5, 6 e7. Na tampa da prensa triaxial [5] foram realizados dois furos com posterior instalação de conexões para a instalação de um ponto onde será aplica a pressão de ar que irá conferir a tensão confinante e mais um ponto sobressalente. Tanto a base superior quanto a inferior foram totalmente produzidas e projetadas na presente dissertação. Os projetos encontram-se em anexo. Este conjunto de peças [5, 6 e 7] em duralumínio possuem canaletas projetadas pra receber anéis o rings os quais a partir da aplicação de tensão proveniente do aperto das porcas dos tirantes laterais conferem a vedação do conjunto. No total foram utilizados cinco anéis o rings sendo que quatros destes são responsáveis pela vedação da câmara triaxial com o exterior e o restante realiza a vedação da câmara dupla. Os anéis o rings podem ser vistos na fig 7.2 representados pela cor verde. Para a adequação da prensa preexistente a nova câmara triaxial desenvolvida, foi necessária à adaptação da peça [8]. Esta peça é de suma importância para o entendimento do funcionamento do equipamento, pois é por ela que foram realizadas as entradas das tubulações até o interior da câmara triaxial. Foram realizados um total de 8 acessos, cuja finalidades estão dispostas na Tabela 7.1. Tabela 7.1 Relação de Acessos Câmara Triaxial. Acessos Finalidade 1 Aplicação de Pressão de ar na topo da amostra 2 Drenagens da base do corpo de prova 2 Instrumentação eletroníveis (medição de deformação interna) 1 Comunicação com o sistema de medição da variação volumétrica total 2 Acessos sobressalentes para futuras instrumentações (Bender Element)

124 124 A Figura 7.5 ilustra dois acessos descritos acima bem como o conjunto de vedação desenvolvido para o equipamento. Dreno de Ar Pontos de Acesso 8 Conjunto de Vedação Fixação dos Transdutores de Pressão Figura 7.5 Acesso de tubulações a Câmara Triaxial. A vedação é conferida por um conjunto de porca e anilha em latão. A passagem do tubo pela peça em latão permite com que a tubulação entre no equipamento sem que ocorram vazamentos. Fechando os componentes da câmara triaxial vem o conjunto [4] formando pelo top cap em acrílico e a base onde o corpo de prova será disposto. A Figura 7.7 representa estas peças. Na parte superior estão dispostos o top cap, o engate da para a célula de carga e a pedra porosa. O top cap foi projetado para na sua parte superior receber uma peça em latão no formato de cruz que quando rotacionada em seu eixo permite o acoplamento de célula de carga ao top cap e ao corpo de prova. Da lateral do top cap indo em direção ao centro foi projetado um canal que irá permitir a aplicação de pressão de ar no topo do corpo de prova. Na base deste conjunto encontra-se o pedestal sobre no qual esta inserida a pedra cerâmica de alta entrada de ar com capacidade de três Bar. No pedestal, confeccionado em duralumínio, foi desenvolvida uma serie de canais que permitem a aplicação uniforme de pressão de água por sob a pedra cerâmica de

125 125 alta entrada de ar. Como indicado na Figura ainda foram projetados dois locais onde serão conectadas as tubulações de drenagem de água. Fechando assim este conjunto teremos o top cap onde aplicaremos pressão de ar e o pedestal onde será aplicada pressão de água, esta configuração permite o controle de sucção, pois por definição a sucção é a diferença entre a pressão de água menos a pressão de ar. Pedra Cerâmica de Alta Entrada de Ar -3Bar Pedestal Top Cap Figura 7.6 Top cap e pedestal.

126 126 Figura 7.7 Conjunto Top Cap e Pedestal Sistema de Medição de Variação de Volume Total Nos sistemas triaxiais tradicionais, onde as amostras saturadas são testadas, a medida da variação de volume do corpo de prova é realizada através de um simples monitoramento da água que entra ou que deixa a amostra através de um transdutor de medição de variação volume. No entanto, em ensaios não saturados as medidas de variação de volume são muito dificultadas em função da compressibilidade do ar. Pois o aumento da pressão de confinamento numa amostra não saturada, fará com que ocorra um movimento de água para fora da amostra sendo que ao mesmo tempo as dimensões do corpo de prova irão mudar devido à compressão do ar contido nos vazios. Logo, para uma medida eficiente torna-se necessária à mensuração do volume da água que deixa a amostra, bem como a mudança de volume total da

127 127 amostra. Com estas duas medidas, pela relação entre a variação de volume devido à água que está sendo expulsa para fora da amostra, é possível determinar a mudança de volume decorrente da compressibilidade do ar. Para tanto foi desenvolvido um sistema composto por uma balança de precisão e um reservatório em PVC que pode ser observado na Figura 7.9. O funcionamento do sistema esta baseado na hidrostática (princípio de vasos comunicantes) onde através da Lei de Stevin podemos afirmar que quando se tem um único líquido em equilíbrio contido no recipiente: 1. A altura alcançada por esse líquido em equilíbrio, em diversos vasos comunicantes é a mesma. Qualquer que seja a forma de seção do ramo. 2. E para todos os pontos do líquido que estão na mesma altura obtêmse também a mesma pressão. Em posse deste principio algumas considerações se tornaram necessárias para o dimensionamento do sistema: 1. O volume de água confinante (Vc) não se altera durante o ensaio. 2. Os volumes que irão sofre variações serão provenientes da compressão ou expansão do corpo de prova (Vcp) e da entrada ou saída do pistão (Vp). 3. A variação de volume de corpo de prova será composta pela saída ou entrada de água na amostra e pela compressão ou expansão do ar contido na amostra. Desta maneira podemos equacionar a variação de volume proveniente do comportamento mecânico do ar incluso da seguinte maneira: Vt = Vc + Vcp + Vp eq. 7.1 Onde Vt corresponde ao volume total do sistema. Em se tratando desta equação analisando em termos de variações simplificamos a parcela do volume confinante a equação fica: Δ Vt = ΔVcp + ΔVp eq. 7.2 Como o valor da variação de volume proveniente do pistão pode ser facilmente determinado através de uma calibração que levara em consideração a variação de volume total gerada em função do deslocamento proveniente do pistão. Fica faltando à determinação da variação do volume do corpo de prova e

128 128 do volume total do sistema. A variação de volume do corpo de prova pode ser descrita pela seguinte equação 7.3. Δ Vcp = ΔVar + ΔVágua eq. 7.3 Onde a medição de variação de volume decorrente da entrada e saída de água do corpo de prova pode ser determinada facilmente com a utilização de um transdutor. Assim a variação de volume de ar na amostra é expressa pela equação 7.4. Δ Var = ΔVcp ΔVágua eq. 7.4 Desta forma a medição da variação de volume total torna-se o parâmetro final necessário para se avaliar o comportamento de deformabilidade do solo. A determinação da variação de volume total da amostra é realizada através da relação quantidade de água que entra ou sai do reservatório disposto sobre a balança de precisão. Esta variação é decorrente das alterações do volume tanto do pistão que se desloca como pelas mudanças nas dimensões do corpo de prova. Para a confecção do Medidor de Variação de Volume Total (MVVT) foi utilizada uma balança da marca Marte modelo AL500 com três casas decimais, sendo que sua capacidade máxima é de quinhentos gramas. Dentro desta limitação foi desenvolvido o reservatório em PVC. O reservatório possui 350 gramas limitando assim a capacidade de sistema em 150 gramas de água deslocada. Visando amplificar a sensibilidade do sistema foi desenvolvida uma peça em PVC [2] a qual foi presa na parte inferior da célula de carga. A amplificação é alcançada, pois a peça em PVC diminui a área da seção fazendo com que o nível de água confinante se eleve ou baixe mais para comportar a mesma variação de volume. Desta forma a variação do volume de fluido deslocado para o reservatório, disposto sobre a balança de precisão, aumenta.

129 129 Figura 7.8 Sistema de Variação de Volume. Figura 7.9 Reservatório em PVC. Uma calibração prévia do sistema foi realizada utilizando-se os materiais mencionados na Tabela 7.2 e dispostos na Figura 7.8. Esta calibração não foi realizada no equipamento triaxial desenvolvido mais sim em uma célula triaxial convencional. Neste teste buscou-se o entendimento do sistema.

130 130 Tabela 7.2 Relação de Materiais Utilizados para Calibração Prévia do MVVT. Equipamento Característica / Função Balança Precisão de 3 dígitos Bureta Câmara Triaxial Aplicação de Pressão Interface Ar/Água Corpo de Prova Precisão de 1/10 ml Convencional Reguladores de Ar comprimido Pressurização da Bureta Confeccionado em espuma O processo de calibração consistiu em aplicar uma pressão de ar (tensão confinante) igual na célula Triaxial e no MVVT, de modo a garantir o princípio de vasos comunicantes. Foi também aplicada uma contra-pressão, que permiti-se o fluxo drenante na amostra. Houve o monitoramento da variação de volume do corpo de prova através da bureta bem como a variação de volume total via alteração da massa do contida no reservatório sobre a balança. Logo, tentou-se correlacionar a variação de massa medida na balança com a variação de volume na bureta. Os resultados são condicionados à geometria do sistema, visto que a sensibilidade esta diretamente correlacionada com a variação de nível da água disposta no sistema de MVVT.

131 131 Figura 7.10 Calibração do Sistema de Medição de Variação de Volume Total. O gráfico da Figura 7.11 apresenta os resultados obtidos na calibração do MVVT. Figura 7.11 Calibração do Sistema de Medição de Variação de Volume Sistema de Aquisição de Dados e Controle O conjunto de equipamentos responsáveis pela aquisição de dados e controle da prensa triaxial é semelhante ao já descrito no capítulo 4 item

132 132 Trata-se do sistema de servo controle desenvolvido pela Imperial College constituído por uma placa de aquisição de dados que realiza a conversão das leituras dos sensores de analógica para digital. Os dados são enviados ao computador via cabo serial RS232 onde através do software Triax5 são processados e transformados em unidade de engenharia utilizando-se de equações de calibração. Os comandos programáveis oriundos do software são enviados aos sistemas de aplicação de pressão através da placa 8255 I/O com interface PCI. Os procedimentos de programação de ensaios estão anexados à presente dissertação Sistema de Aplicação de Pressões As pressões serão aplicadas e controladas pelo sistema apresentado na Figura Onde através de um motor de passo, alimentado pela placa de conversão, gira o eixo da válvula de precisão no sentido necessário para que a pressão requerida pelo software seja alcançada. Figura 7.12 Box (Controlador de Pressão). O sistema da Imperial College dispõe de três caixas como a acima mostrada que realizaram respectivamente a aplicação da tensão de ar no topo da amostra a contrapressão e a tensão desviadora. Por meio deste sistema que a sucção será controlada. Entretanto, será necessário o uso de somente uma interface ar/água que irá realizar o cambio entre a pressão de ar proveniente do sistema regulador de pressão em pressão de água na câmara inferior da prensa hidráulica [9].