Capítulo 5 Como visto neste curso, carregamentos externos aplicados na superfície, ou mesmo a própria geometria da superfície da massa de solo, contribui para o desenvolvimento de tensões tangenciais ou de cisalhamento, que podem chegar a valores próximos da máxima tensão cisalhante que o solo suporte, podendo ocasionar a ruptura do material. O problema da determinação da resistência aos esforços cisalhantes nos solos constitui um dos pontos fundamentais de toda a Mecânica dos Solos. Uma avaliação correta deste conceito é um passo indispensável para qualquer análise da estabilidade das obras civis. Define-se como resistência ao cisalhamento do solo a tensão cisalhante que ocorre no plano de ruptura no instante da ruptura. A Figura 5.1 mostra um exemplo de ruptura de uma massa de solo de uma encosta. Figura 5.1 Ruptura de massa de solo e sua movimentação sobre uma estrada Gerscovich (2010) ressalta que a ruptura em si é caracterizada pela formação de uma superfície de cisalhamento contínua na massa de solo. Existe, portanto, uma camada de solo em torno da superfície de cisalhamento que perde suas características durante o processo de ruptura, formando assim a zona cisalhada, conforme mostrado na Figura 5.2. Inicialmente há a formação da zona cisalhada e, em seguida, desenvolve-se a superfície de cisalhamento. Figura 5.2 Zona fraca, zona cisalhada e superfície de cisalhamento (LEROUEIL, 2001) 121
5.1 Considerações preliminares sobre resistência ao cisalhamento A capacidade dos solos em suportar cargas, depende de sua resistência ao cisalhamento, isto é, da tensão r que é a máxima tensão que pode atuar no solo sem que haja ruptura. Terzaghi (conhecido como o pai da Mecânica dos Solos) conseguiu conceituar essa resistência como conseqüência imediata da pressão normal ao plano de rutura correspondente a pressão grão a grão ou pressão efetiva. Isto é, anteriormente considerava-se a pressão total o que não correspondia ao real fenômeno de desenvolvimento de resistência interna, mas, na nova conceituação, amplamente constatada, conclui-se que somente as pressões efetivas mobilizam resistência ao cisalhamento, (por atrito de contato grão a grão) donde se escreve:, ' = c + tg = c + r ( u) tg Hvorslev, ao analisar argilas saturadas, concluiu que nessa situação a coesão é função essencial do seu teor de umidade, donde se escreve: ( ) c = f h Logo temos para a máxima tensão de cisalhamento (poderá ser representado simplesmente por r, sem o apóstrofo ): ' = r f ( h) + ( u) tg Em outras palavras, a expressão acima traduz a situação já afirmada de que os parâmetros c e não são características simples dos materiais, mas, dependem, essencialmente, das condições de ocorrência/utilização dos materiais. Como as condições de utilização são variáveis, partiu-se para se sofisticar os ensaios de laboratório na tentativa de criar as situações de ocorrência/utilização, procurando considerar o fato de a amostra ter sido retirada do todo e, logicamente perdendo algumas características originais de comportamento ao natural. Da expressão matemática temos: c = f( h) = itg tensão interna de resistência por atrito fictício ou proveniente do entrosamento de suas partículas traduzida pela força de coesão (que pode ser verdadeira ou aparente - em areias). Depende da ocorrência de água nos vazios e suas condições de arrumação estrutural. Em engenharia, só consideramos válida a coesão verdadeira. ( u) tg tensão interna de resistência por atrito de contato grão a grão. Dependente da arrumação estrutural (maior ou menor contato grão a grão) e da ocorrência da pressão neutra que refletirá diretamente no valor de σ. Os parâmetros c e, definidores da resistência interna ao cisalhamento dos solos terão que ser determinados, na maioria dos casos, em laboratório nas condições mais desfavoráveis previstas para o período de utilização de cada projeto específico. 122
5.2 - Ensaios de resistência ao cisalhamento 5.2.1 - Ensaios de Campo Como a retirada de amostras indeformadas implica, apesar de todos os cuidados e expedientes sofisticados, numa possível deformação da amostra, procura-se, mais modernamente executar ensaios in situ capazes de traduzir as reais características de resistências das camadas de solos. Dentre os ensaios in situ mais empregados no Brasil para determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento e de deformabilidade no campo destacam-se o: Ensaio de palheta ou "Vane Shear Test"; Ensaio de penetração estática do cone (CPT) ou "Deep sounding"; Ensaio pressiométrico (câmara de pressão no furo de sondagem). Os ensaios de CPT e Vane Test têm por objetivo a determinação da resistência ao cisalhamento do solo, enquanto o ensaio Pressiométrico visa obter uma espécie de curva de tensão-deformação para o solo investigado, conforme pode ser resumido na tabela 5.1. Neste contexto de estudo da resistência dos solos, ressalta-se que o ensaio de campo SPT Standard Penetration Test, muito difundido e utilizado no país, não determina diretamente os parâmetros de resistência de um solo (obtém o número de golpes para perfurar determinado comprimento no furo 30 cm finais a cada metro...). Tabela 5.1 Principais ensaios de campo disponíveis e suas características Tipo de Ensaio Tipo de Solo Principais características que podem ser determinadas 1 - Ensaio Padronizado de Penetração (SPT)* 2 - Ensaio de Penetração Estática do Cone (CPT) Melhor aplicável Granulares Granulares Não aplicável Avaliação qualitativa do estado de compacidade ou consistência. Comparação qualitativa da estratigrafia do subsolo. Avaliação contínua da compacidade e resistência de solos granulares. Avaliação contínua de resistência não drenada de solos argilosos. 3 - Ensaio de Palheta Coesivos Granulares Resistência não drenada de solos argilosos. 4 - Ensaio Pressiométrico Granulares * Ensaio não determina c e/ou φ Coeficiente de empuxo no repouso; compressibilidade e resistência ao cisalhamento. Os ensaios de resistência ao cisalhamento executados no campo ( in situ ) são estudados na parte prática do curso, sendo, contudo, apresentados aqui de forma extremamente resumida. 123
Ensaio de penetração estática do cone CPT. O ensaio de penetração estática do cone, também conhecido como Deep Sounding, foi desenvolvido na Holanda com o propósito de simular a cravação de estacas e está normalizado pela ABNT através da norma NBR 3406. O ensaio de CPT permite medidas quase contínuas da resistência de ponta e lateral devido à cravação de um cone no solo, as quais, por relações permite identificar o tipo de solo, destacando a uniformidade e continuidade das camadas. Permite, também, determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento e a capacidade de carga dos materiais investigados. Apresenta como desvantagens a não obtenção de amostras para inspeção visual, a não penetração em camadas muito densas e com a presença de pedregulhos e matacões, as quais podem tornar os resultados extremamente variáveis e causar problemas operacionais como deflexão das hastes e deterioração na ponteira. O equipamento para execução do ensaio CPT consta de um cone de aço, móvel, com um ângulo no vértice de 60 0 e área transversal de 10 cm 2. O ensaio consiste em cravar o cone solidário a uma haste e medir o esforço necessário à penetração. São feitas medidas de resistência de ponta e total (Figura 5.3). Os dados permitem obter, ainda, boas indicações das propriedades do solo, ângulo de atrito interno de areias, e coesão e consistência das argilas. Figura 5.3 Resultado de um ensaio de penetração do cone CPT Ensaio de palheta Vane test. O Vane test foi desenvolvido na Suécia, com o objetivo de medir a resistência ao cisalhamento não drenada de solos coesivos moles saturados. Hoje o ensaio é normalizado no Brasil pela ABNT através da norma NBR 10905. O equipamento para realização do ensaio é constituído de uma palheta de aço, formada por quatro aletas finas retangulares, hastes, tubos de revestimentos, mesa, dispositivo de aplicação de um momento torçor e acessórios para medida do momento e das deformações. O equipamento está apresentado na figura 5.4. O diâmetro e a altura da palheta devem manter uma relação constante 1:2 e, sendo os diâmetros mais usuais de 55, 124
65, e 88mm. A medida do momento é feito através de anéis dinamométricos e vários tipos de instrumentos com molas, capazes de registrar o momento máximo aplicado. O ensaio consiste em cravar a palheta e em medir o torque necessário para cisalhar o solo, segundo uma superfície cilíndrica de ruptura, que se desenvolve no entorno da palheta, quando se aplica ao aparelho um movimento de rotação. A instalação da palheta na cota de ensaio pode ser feita ou por cravação estática ou utilizando furos abertos a trado e/ou por circulação de água. No caso de cravação estática, é necessário que não haja camadas resistentes sobrejacentes à argila a ser ensaiada. Com a palheta na posição desejada, deve-se girar a manivela a uma velocidade constante de 6º/min, fazendo-se as leituras da deformação no anel dinamométrico de meio em meio minuto, até rapidamente, com um mínimo de 10 rotações a fim de amolgar a argila e com isto, determinar a sensibilidade da argila (resistência da argila indeformada/ resistência da argila amolgada). Figura 5.4 Equipamento para ensaio de palheta no campo e em tamanho reduzido para laboratório, do Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos da UFJF No instante da ruptura o torque máximo (T) aplicado se iguala à resistência ao cisalhamento da argila, representadas pelos momentos resistentes do topo e da base do cilindro de ruptura e pelo momento resistente desenvolvido, ao longo de sua superfície lateral, dado pela expressão: T = ML + 2MB Onde: T = torque máximo aplicado à palheta; ML=momento resistente desenvolvido ao longo da superfície lateral de ruptura; MB=momento resistente desenvolvido no topo e na base do cilindro de ruptura, dados por: L = 1. D 2. H c u M 2. 3 M B = D c u 12 Onde: D = diâmetro do cilindro de ruptura; H = altura do cilindro de ruptura; Su = resistência não drenada da argila. Substituindo as duas últimas equações na anterior e fazendo-se H = 2D, tem-se o valor da coesão não drenada da argila, expresso pela fórmula: S u 6 T =. 7 D 3 125
Ensaio pressiométrico Este ensaio é usado para determinação in situ principalmente do módulo de elasticidade (e da resistência ao cisalhamento de solos e rochas), sendo desenvolvido na França por Menard. O ensaio pressiométrico consiste em efetuar uma prova de carga horizontal no terreno, graças a uma sonda que se introduz por um furo de sondagem de mesmo diâmetro, realizado previamente com grande cuidado para não modificar as características do solo. O equipamento do ensaio, chamado pressiométrico, é constituído por três partes: sonda, unidade de controle de medida pressão-volume e tubulações de conexão. A sonda pressiométrica é constituída por uma célula central ou de medida e duas células extremas, chamadas de células guardas, cuja finalidade é estabelecer um campo de tensões radiais em torno da célula de medida. Após a instalação da sonda na posição de ensaio, as células guardas são infladas com gás carbônico, a uma pressão igual a da célula central. Na célula central é injetada água sob pressão, com o objetivo de produzir uma pressão radial nas paredes do furo. Em seguida, são feitas medidas de variação de volume em tempos padronizados (15, 30 e 60 segundos após a aplicação da pressão do estágio). O ensaio é finalizado quando o volume de água injetada atingir 700 a 750 cm³. Com a interpretação dos resultados de pares de valores (pressão x volume) obtidos no ensaio, se determina o módulo pressiométrico, entre outros valores de pressão. 5.2.2 - Ensaios de laboratório São diversos os tipos de ensaios de laboratório que buscam, com maior grau de sofisticação, representar com fidelidade e exatidão as condições possíveis de ocorrências. Dentre os principais ensaios de laboratório temos: Ensaio de Compressão Simples; Ensaio de Cisalhamento Direto; Ensaio de Compressão Triaxial; Dependendo da importância da obra a realizar, das características dos solos e das condições de ocorrência justifica-se a realização dos ensaios com a finalidade específica de obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento ( c e φ ). Nos itens seguintes será apresentada uma descrição genérica-conceitual dos ensaios, e uma análise sucinta referente à determinação de c e, deixando o detalhamento da execução das operações dos ensaios para as aulas práticas, específicas do curso. 5.3 Ensaio de compressão simples - uniaxial Consiste em ensaiar corpos de provas em uma prensa aberta em que só se tem condição de aplicar a pressão axial 1, uma vez que, sendo a prensa aberta, não há condição de aplicar pressões laterais, isto é, 3 = 0. Tem-se assim um só círculo de Mohr e =0. Logo sua aplicação em solos se limita a solos puramente coesivos. Os resultados desses ensaios são extremamente limitados na sua interpretação e utilização prática em geotecnia. Podem ser utilizados para identificar a consistência das argilas e, quando ensaiadas em amostras naturais e amolgadas, permite determinar a sensibilidade das argilas (relação natural/amolgado). 126
A Figura 5.5 ilustra a realização do ensaio de compressão simples - aplicação de carga em apenas um eixo uniaxial, logo após o termino do rompimento do corpo de prova ( CP ), onde se vê o mesmo já rompido cisalhado (quando resultou em tensão cisalhante máxima). O CP foi deixado na prensa até a ocorrência de uma deformação excessiva (plano de ruptura ficou visível). Figura 5.5 Ensaio de compressão simples: amostra após ruptura A velocidade de aplicação da carga na prensa é controlada e padronizada. Como no ensaio não se tem condição de aplicar 3, mesmo realizando no mínimo três ensaios para definir sua resistência, esperam-se valores aproximados para o mesmo material, ensaiados nas mesmas condições. Isto resulta no traçado de um só círculo (Figura 5.6), e a direção do traçado da linha de envoltória de resistência será a horizontal (linha que tangencia todos os círculos ). P = Carga na ruptura medida na prensa A = Área do corpo de prova (conhecida) Figura 5.6 Envoltória de resistência de ensaio de compressão simples Os parâmetros de resistência obtidos no ensaio são: P 1 = Sendo = 0, temos para a coesão : 1 = 2c c = 1 = r A 2 Os dados da interpretação do ensaio podem ser visto na Figura 5.7. Então concluise que o ensaio só é aplicável em solos puramente coesivos, onde = 0. Em função de seus resultados pode-se obter a sua classificação (Tabela 5.2) quanto a sua consistência, em se tratando de ocorrência de solo argiloso (predominância de finos ), onde o valor Rc é dado como resistência à compressão simples do solo. 127
Figura 5.7 Interpretação do ensaio de compressão simples Tabela 5.2 Faixa de resistência à compressão simples, função da consistência das argilas Argilas Faixa valor Rc Obs: Muito mole Rc < 2,5 t/m 2 (25 kpa) 1 kpa = 1 kn/m 2 Mole 2,5 < Rc < 5,0 t/m 2 1 t/m 2 = 10 kpa Média 5,0 < Rc < 10,0 t/m 2 1 kg/cm 2 = 10 t/m 2 Rija 10,0 < Rc < 20,0 t/m 2 1 kg/cm 2 = 100 kpa Muito rija 20,0 < Rc < 40,0 t/m 2 1 t/m 2 = 0,1 kg/cm 2 Dura Rc > 40,0 t/m 2 (400 kpa) Em face da limitação deste ensaio tem-se dois outros tipos de ensaios costumeiramente empregados para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos: o ensaio de cisalhamento direto e o ensaio de compressão triaxial. 5.4 Ensaio de cisalhamento direto O ensaio de cisalhamento direto é o mais antigo procedimento para a determinação da resistência ao cisalhamento e se baseia diretamente no critério de Mohr-Coulomb. No ensaio, a amostra (corpo de prova) de solo a ser ensaiada é colocada em uma caixa bipartida metade de sua altura fica na parte inferior da caixa e a outra metade fica na parte superior. Esta caixa bipartida será a responsável por permitir o deslocamento da sua parte superior em relação a inferior, levendo o solo à ruptura, que ocorrerá diretamente no plano que ocorre entre as partes da caixa, ou seja, na sua meia altura. O ensaio é realizado aplicando-se previamente uma tensão normal (s) perpendicular ao plano principal da amostra (onde haverá a ruptura) e uma força T no sentido paralelo ao plano de cisalhamento da amostra, o que implicará na atuação de uma tensão cisalhante (t), que será responsável pela ruptura, como mostra a Figura 5.8. Figura 5.8 Ensaio de cisalhamento direto: tensões atuantes e amostra após ruptura 128
A força vertical N, aplica-se inicialmente na amostra é definida a partir do nível de tensões esperado para o solo em serviço, nível de tensão que vai atuar no campo ou em caso de uma obra. Portanto, este valor é adotado. Já a força tangencial T é aplicada ao anel que contém a parte superior do corpo de prova, provocando seu deslocamento, por ação do equipamento que uma vêz ligado irá movimentar-se segundo uma velocidade constante (valores baixo), fazendo aumentar a força T atuante no plano do solo. Faz-se necessário então, medir a evolução da força suportada pelo solo, ao longo do ensaio. As imagens apresentadas na Figura 5.9 mostram: (a) a moldagem de um CP (corpo de prova - seção quadrada) para ser ensaiado, (b) o equipamento de cisalhamento direto do Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos (LaEsp) da UFJF e (c) a caixa de cisalhamento da amostra, em detalhe. (a) (b) (c) Figura 5.9 (a) Detalhe de um CP sendo talhado em um bloco de amostra indeformado, (b) Aspecto do equipamento durante a realização de um ensaio, (c) Detalhe da caixa de cisalhamento com o extensômetro para medição da deformação vertical do CP. As forças T e N, divididas pela área da seção transversal do corpo de prova, indicam as tensões e que nele estão ocorrendo. A tensão pode ser representada em função do deslocamento no sentido do cisalhamento, como se mostra na Figura 5.10, onde se identificam a tensão de ruptura, max, de pico, e a tensão residual, que o corpo de prova ainda sustenta, após ultrapassada a situação de ruptura, res. O deslocamento vertical durante o ensaio também é registrado, indicando se houve diminuição ou aumento de volume durante o cisalhamento. 129
Figura 5.10 Comportamento tensão x deslocamento (horizontal) e de deslocamento vertical Ao aplicar a tensão normal sobre o corpo de prova espera-se uma deformação vertical no sentido da haver uma diminuição da sua altura. Como pode ser observado, contudo, durante o cisalhamento o sentido do deslocamento vertical do corpo de prova pode se inverter até que a tensão cisalhante se estabilize num valor aproximadamente constante (residual). Observa-se também que neste ensaio consegue-se provocar um deslocamento relativo (horizontal) de uma parte do solo sobre a outra muito maior do que se pode atingir em ensaios de compressão triaxial. Realizando-se ensaios com diversas tensões normais, em no mínimo três corpos de prova, pode-se obter a envoltória de resistência ao cisalhamento do solo, plotando-se diretamente em um gráfico cartesiano x os pontos referentes às respectivas tensões (adotadas) e (medidas), que serão posteriormente interpolados graficamente por uma reta, a fim de definir a envoltória de Morh-Coulomb pretendida. (Figura 5.11). Figura 5.11 Interpolação dos pontos de ruptura para obtenção da envoltória de Mohr-Coulomb Cisalhamento direto: ensaio x controle da drenagem Este ensaio é muito prático, porém, não permite a determinação de parâmetros de deformabilidade do solo e a obtenção dos valores da pressão neutra durante a realização do ensaio. O controle das condições de drenagem é difícil no ensaio, pois não há como impedi-la. Na Figura 5.12 observa-se o esquema do equipamento com a amostra em condição de ensaio. Nota-se que ele pode ser executado com drenagem, pela presença de pedras porosas (parte superior e inferior), ou sem drenagem, com a ressalva de que é impossível impermeabilizar totalmente o sistema. As saídas de drenagens são para melhorar o processo da garantia desse expediente e não para medir a pressão neutra, pois, isso não será possível no ensaio de cisalhamento direto. 130
Figura 5.12 Esquema do ensaio de cisalhamento direto: drenagem da amostra Ensaios em areias são feitos sempre de forma a que as pressões neutras se dissipem, e os resultados são considerados em termos de tensões efetivas. No caso de argilas, pode-se realizar ensaios drenados, que são lentos, ou não drenados. Neste caso, os carregamentos devem ser muito rápidos, para impossibilitar a saída de água. Pelas suas restrições, o ensaio de cisalhamento direto é considerado menos interessante que o ensaio de compressão triaxial. Entretanto, pela sua simplicidade, ele é muito útil quando se deseja medir simplesmente a resistência, e, principalmente, quando se deseja conhecer a resistência residual. Durante muitos anos o ensaio de cisalhamento direto foi praticamente o único para determinação da resistência dos solos devido a sua simplicidade. A necessidade de maiores sofisticações para representar as ocorrências de campo, tem sido em muitos casos, substituída pelos ensaios de compressão triaxial. Comportamento Tensão x Deformação dos Solos As curvas de ruptura (tensão x deformação) típicas obtidas nos ensaios de resistência têm uma das formas mostradas na Figura 5.13. Na rutura frágil depois de atingir a R, a resistência cai acentuadamente ao se aumentar a deformação. Obtem-se para o valor máximo o que se denomina de resistência de pico. Na rutura plástica o esforço máximo é mantido com a continuidade da deformação. Pode-se obter assim a chamada resistência residual. A ruptura Frágil é típica de ocorrência em argilas rijas e duras ou areias compactas enquanto que a ruptura Plástica é típica de ocorrência em argilas moles ou médias ou areias fofas ou pouco compactas. Figura 5.13 Aspecto das curvas tensão x deformação dos solos 131
Deslocamento vertical (mm) Tensão cisalhante - (kpa) A Figura 5.14 apresenta, como exemplo, as curvas de quatro ensaios de cisalhamento direto, para um mesmo material, sob diferentes valores de (parte da planilha de ensaio do CP01, está apresentada na Tabela 5.3). Observa-se que em se tratando de uma amostra de argila, esta tem baixa consistência (mole ou média), tendo em vista o aspecto das curvas apresentadas. Nota-se que o valor da resistência, valor de máximo, não é pronunciado (não há pico ). Os dados obtidos a partir dos quatro gráficos da Figura 5.14, correspondentes às tensões no plano de rutura, permite determinar os pares de tensão que, possibilitam o traçado da envoltória de resistência do solo e a obtenção dos parâmetros c e (Figura 5.11). 100 v (kpa) 90 114 80 70 60 50 40 42 30 27 20 17 10 0 0 5 10 15 0,8 v (kpa) 0,6 27 114 0,4 42 0,2 17 0,0 0 5 10 15 Deslocamento horizontal (mm) Figura 5.14 Curvas tensão x deformação A Tabela 5.3, em arquivo Excel, apresenta um resumo dos dados de um dos ensaios de cisalhamento direto, com tensão normal = 17,2 kpa (como se vê na 10 a coluna), sinalizado no gráfico como v =17) e de valores calculados ao longo da execução do ensaio, para o posterior traçado da sua envoltória de resistência. Tabela 5.3 Trecho de planilha com dados e valores calculados de um ensaio de cisalhamento. Planilha de Resultados Folha: 01 de 03 Leitura Leitura Anel de Desloc. Desloc. Área Força Tensão Tensão Índice Extens. Extens. Carga Horiz. Vert. Corrig. Cisalh. F cis /F n Cisalh. Vert. de Horiz. Vert. (mm) (mm) (cm²) (N) (kpa) (kpa) Vazios 0 1208,0 100,0 0,000 0,000 103,23 31,01 0,000 0,0 17,2 1,463 8 1207,8 114,0 0,175 0,000 103,05 66,83 0,376 6,5 17,2 1,463 10 1207,5 115,0 0,224 0,001 103,00 69,38 0,391 6,7 17,2 1,463 20 1204,2 118,0 0,472 0,008 102,75 77,06 0,434 7,5 17,3 1,463 Observa-se que nesse ensaio a área da seção crítica varia durante a aplicação do esforço tangencial. Portanto, para sua real determinação deve-se ter um processo continuado de sua correção. Esse ensaio caracteriza claramente que a resistência ao cisalhamento dos solos é a propriedade que os solos possuem de resistirem ao deslizamento de uma seção em relação à outra contígua. A Figura 5.15 ilustra resultados de ensaio de outro material, também como exemplo para ilustração. Neste, são submetidos os corpos de prova a sete diferentes tensões normais. Observam-se valores de resistência de pico, principalmente para os níveis maiores de tensão. 132
Figura 5.15 Exemplo de curvas tensão x deformação de um solo submetido ao cisalhamento O ensaio de cisalhamento direto só dá valores confiáveis para o caso de rutura plástica. No caso da rutura plástica os esforços são iguais em toda seção de rompimento, enquanto na ruptura frágil há diferenciação entre a periferia e o centro da amostra. Fatores que influenciam os resultados dos ensaios - Areias: Compacidade, forma das partículas e distribuição granulométrica. - Argilas: Estado de adensamento do solo, sensibilidade de sua estrutura, condições de drenagem e velocidade de aplicação das cargas e a ocorrência de pressão neutra. Observações sobre pré-adensamento Como visto, adensamento é a diminuição de volume do solo sob ação de uma tensão. Sua ocorrência é maior nos solos argilosos, pois são compressíveis, e em menor escala nos solos arenosos. A condição de pré-adensamento é a situação em que a camada compressível tenha, em épocas geológicas anteriores, sofrido pressões muito maiores do que as que suportam atualmente, isto é, a natureza adensou a camada. - Uma estrutura de solo pré-adensado, implica em problemas na determinação de sua resistência, pois, quando em processo de cisalhamento, o solo tende a se expandir e, assim, estará sujeito a absorção de água que poderá gerar pressão neutra (u), e logicamente, diminuir a pressão efetiva ( ) e o valor de r. Se, por acaso não houver possibilidade de absorção de água, sua tendência de expandir acarretará aumento da resistência do solo. Assim, nas argilas pré-adensadas, havendo possibilidade de drenagem, sua resistência será maior do que na situação em que não seja possível esse expediente. - Nas argilas normalmente adensadas, passa-se exatamente o contrário, ou seja: Diminuem o volume quando solicitadas ao cisalhamento; Apresentam pressão neutra positiva. Tem-se, como decorrência, um aumento de σ (pressão efetiva) quando drenada, uma vez que ocorrerá a dissipação da pressão neutra u. 133
Tensões principais A análise do estado de tensões durante o carregamento é bastante complexa no ensaio de cisalhamento direto. O plano horizontal, antes da aplicação das tensões cisalhantes, é o plano principal maior. Com a aplicação das forças cisalhantes, ocorre rotação dos planos principais. Uma das desvantagens deste ensaio é a impossibilidade de se conhecer os esforços que atuam em planos diferentes daquele de rutura, com um único ensaio. Somente depois de traçada a envoltória será possível determinar o círculo de Morh referente á condição de equilíbrio incipiente e determinar as tensões principais associada, uma vez que o círculo tangencia a linha de rutura nesse ponto determinado (de tensão cisalhante), cujos valores das tensões principais obtêm-se pelo traçado posterior, do correspondente círculo. 5.5 Ensaio de compressão triaxial Esses ensaios são os mais utilizados na atualidade, por sua condição de aparelhagem. São mais refinadas, capazes de garantir uma impermeabilização total da amostra, o controle absoluto da drenagem e a medição do valor da pressão neutra. O Professor Carlos de Souza Pinto (PINTO, 2006) descreve muito bem o procedimento básico do ensaio triaxial, a saber: O ensaio de compressão triaxial convencional consiste na aplicação de um estado hidrostático de tensões e de um carregamento axial sobre um corpo de prova cilíndrico do solo. Para isto, o corpo de prova é colocado dentro de uma câmara de ensaio, cujo esquema é mostrado na Figura 5.16, e é envolto por uma membrana de borracha. A câmara é cheia de água, à qual se aplica uma pressão, que é chamada pressão confinante ou pressão de confinamento do ensaio. A pressão confinante atua em todas as direções, inclusive na direção vertical. O corpo de prova fica sob um estado hidrostático de tensões. Figura 5.16 - Corpo de prova dentro da câmara de ensaio 134 O carregamento axial é feito por meio da aplicação de uma força crescente no pistão que penetra na câmara, caso em que o ensaio é chamado de ensaio de deformação controlada (sob velocidade de deslocamento constante da prensa). A carga é medida por meio de um anel dinamométrico externo, ou por uma célula de carga intercalada no pistão. Este procedimento tem a vantagem de medir a carga efetivamente aplicada no corpo de prova, eliminando o efeito do atrito do pistão na passagem para a câmara.
Como não existem tensões de cisalhamento nas bases e nas geratrizes do corpo de prova, os planos horizontais e verticais são os planos principais. Se o ensaio é de carregamento, o plano horizontal é o plano principal maior e o plano vertical, o plano principal menor, onde atua a pressão confinante. A tensão devida ao carregamento axial é denominada acréscimo de tensão axial ou tensão desviadora σd, sendo σd = ( 1-3). Durante o carregamento medem-se, a diversos intervalos de tempo, o acréscimo de tensão axial que está atuando e o deslocamento vertical do corpo de prova ( v). A correspondente deformação específica vertical é obtida dividindo o deslocamento pela altura inicial do corpo de prova, a medida em que evolui as tensões desviadoras, o que permite traçar a curva tensão x deformação para o ensaio (Figura 5.17), bem como podem ser plotadas ouros gráficos, como o de variações de volume ou de pressão neutra. Amostra de argila (identificada no campo como CU6), coletada em poço à 4,00 m de profundidade, em Igrejinha, Juiz de Fora/MG. Para os três corpos de prova ensaiados foram utilizadas (adotadas) as tensões de confinamento de 100, 200 e 600 kpa. Figura 5.17 - Exemplo de curvas tensão desviadora x deformação axial As tensões desviadoras representadas em gráfico, em função da deformação específica, evidencia o valor máximo que corresponde à ruptura, a partir do qual fica definido o círculo de Mohr correspondente a esta situação de ruptura. Círculos de Mohr de ensaios feitos em outros corpos de prova permitem a determinação da envoltória de resistência conforme o critério de Mohr, como na Figura 5.18, ou ainda pode-se obter a envoltória de Mohr-Coulomb. Observa-se que, para o traçado da envoltória de resistência faz-se se necessário determinar o correspondente valor de σ1, sendo: 1 = σd + 3. A Figura 5.18 ilustra em destaque o crescimento de σ1 durante o ensaio ( círculos traçejados ), para o corpo de prova com nível intermediário de tensão entre os três ensaios realizados. Figura 5. 18 - Traçado dos círculos de Mohr correspondentes a realização de três ensaios triaxiais 135
Os ensaios triaxiais apresentam condições de reproduzir em laboratório, com relativa precisão, as condições que os solos estarão sujeitos no projeto e serão solicitados nas obras. A Figura 5.19 apresenta o equipamento triaxial do LaEsp Laboratório de Ensaios Especiais em Mecânica dos Solos, da UFJF. Consta basicamente de:. Prensa de compressão;. Unidade de controle de pressões;. Compressor;. Reservatório de água desgazificada;. Microcomputador (monitoramento e aquisição de dados automática) Figura 5.19 Conjunto de equipamentos para ensaio de compressão triaxial, da UFJF Considerações sobre o ensaio Neste capítulo são abordados em linhas gerais os conceitos fundamentais relacionados à realização do ensaio triaxial (Figura 5.20), sendo, contudo, visto no curso de prática o detalhamento e os aspéctos operacionais da realização do mesmo. (a) (b) (c) (d) Figura 5.20 (a) Moldagem de um CP de areia sobre a própria base interna da câmara; (b) Montagem na câmara triaxial, ainda fora da prensa de compressão, após montagem do CP na base; (c) Aspecto da câmara montada na prensa, preenchida com água e sob pressão, durante a realização do ensaio; (d) Registro de um corpo de prova rompido, em que se observa o plano de cisalhamento do material ensaiado, no caso um solo argiloso compactado 136