Aula sobre Compressibilidade e Adensamento de Solos

Professor Celso da Silva Mafra Júnior Engenheiro Civil Msc AULA 09 considerase a principal parcela responsável pela compressibilidade dos solos fazendo com que muitas vezes a superestrutura seja danificada AULA 04 o fenômeno do adensamento obedece ao princípio das tensões efetivas em um tempo igual à zero de aplicação de carga por uma estrutura de engenharia toda carga aplicada é transmitida à água a água é admitida como incompressível e inicia o seu escoamento pelos vazios do solo também conhecido como recalque primário u como a permeabilidade influencia no processo AULA 04 Predominantemente argiloso Origem sedimentar aluvionar Solo saturado NA elevado Relativamente homogêneo Valores de Nspt entre 3 e 5 golpes segundo NBR 7250 Solos ditos muito moles apresentam Nspt entre 0 e 2 Resistência ao cisalhamento baixa Muito compressível O estudo do adensamento é focado especialmente em solos com as seguintes características AULA 04 sapata apoiada sobre uma camada arenosa acima de uma argila mole saturada observada em muitas localidades do leste do estado de SC onde boa parte dos solos em regiões planas próximas ao mar foi formada através de processos sedimentares com o tempo a argila mole saturada começa reduzir o seu volume através da saída de água consequentemente causando o recalque do elemento de fundação AULA 04 A B MOLA ESQUELETO SÓLIDO ÁGUA p MANÔMETRO PRESSÃO DA ÁGUA ORIFÍCIOS A E B POROS DO SOLO RECALQUE na p ATERRO SOLO FIRME u0 u p h u w a SOLO MOLE SATURADO AULA 04 A B MOLA ESQUELETO SÓLIDO ÁGUA p MANÔMETRO PRESSÃO DA ÁGUA ORIFÍCIOS A E B POROS DO SOLO RECALQUE na p ATERRO SOLO FIRME u0 u p h u w a SOLO MOLE SATURADO HIPÓTESE ADOTADA 1 O solo é totalmente saturado 2 A compressão é unidimensional 3 O fluxo dágua é unidimensional 4 O solo é homogêneo 5 As partículas sólidas e a água são praticamente incompressíveis perante a compressibilidade do solo 6 O solo pode ser estudado como elementos infinitesimais apesar de ser constituído de partículas e vazios 7 O fluxo é governado pela Lei da Darcy 8 As propriedades do solo não variam no processo de adensamento 9 O índice de vazios varia linearmente com o aumento da tensão efetiva durante o processo de adensamento AULA 04 A B MOLA ESQUELETO SÓLIDO ÁGUA p MANÔMETRO PRESSÃO DA ÁGUA ORIFÍCIOS A E B POROS DO SOLO RECALQUE na p ATERRO SOLO FIRME u0 u p h u w a SOLO MOLE SATURADO simula a aplicação de cargas no solo através de um sistema de molas mola representa o esqueleto sólido do solo e conforme vão sendo aplicadas cargas a água que representa a água intersticial dos solos escoa por orifícios dotados de válvulas de controle de fluxo são medidas as deformações correspondentes às cargas manômetro para a medição de pressão neutra ocasionada pela aplicação da carga total 1 1 AULA 04 A B MOLA ESQUELETO SÓLIDO ÁGUA p MANÔMETRO PRESSÃO DA ÁGUA ORIFÍCIOS A E B POROS DO SOLO RECALQUE na p ATERRO SOLO FIRME u0 u p h u w a SOLO MOLE SATURADO Observação do Princípio das Tensões Efetivas em um tempo inicial de aplicação de uma carga com as válvulas de controle de fluxo fechadas tal carga aplicada é transmitida para a água Desta forma ocasiona um acréscimo de pressão neutra Com as válvulas de controle de fluxo semiabertas iniciase o processo de drenagem do sistema e assim ocorre a transferência gradativa da carga para o esqueleto sólido mola Assim sendo é transferida parte para a pressão neutra e parte para a pressão efetiva 1 u 1 1 u 1 AULA 04 A B MOLA ESQUELETO SÓLIDO ÁGUA p MANÔMETRO PRESSÃO DA ÁGUA ORIFÍCIOS A E B POROS DO SOLO RECALQUE na p ATERRO SOLO FIRME u0 u p h u w a SOLO MOLE SATURADO Observação do Princípio das Tensões Efetivas Quando toda a água escoar para a carga correspondente à aplicação de o esqueleto sólido mola estará absorvendo tal carga total aplicada Desta forma ocasiona o acréscimo de 1 1 AULA 04 HIPÓTESE ADOTADA COMENTÁRIOS 1 O solo é totalmente saturado 2 A compressão é unidimensional 3 O fluxo dágua é unidimensional 4 O solo é homogêneo 5 As partícula sólidas e a água são praticamente incompressíveis perante a compressibilidade do solo 6 O solo pode ser estudado como elementos infinitesimais apesar de ser constituído de partículas e vazios 7 O fluxo é governado pela Lei da Darcy 8 As propriedades do solo não variam no processo de adensamento 9 O índice de vazios varia linearmente com o aumento da tensão efetiva durante o processo de adensamento Restrições para aplicação da Teoria ok Solos não são exatamente homogêneos Partículas incompressíveis Elementos infinitesimais Lei de Darcy ok NÃO se verifica A medida que o solo adensa muitas propriedades mudam como permeabilidade índice de vazios não prejudica demais o resultado final Aproximação da realidade o gráfico e x não é linear ele possui trechos lineares porém de e x log Assumese para facilitar solução matemática AULA 04 O ensaio de adensamento é realizado em amostras de solos confinadas lateralmente por um anel metálico circular Anel metálico onde a amostra de solo é moldada Deve apresentar diâmetro mínimo de 50mm e altura mínima de 13mm AULA 04 n Célula de adensamento aparelho utilizado para receber o corpo de prova confinado no anel metálico e permitir a aplicação da carga assim como a submersão desta amostra AULA 04 PROCEDIMENTO ABNTMB3336 Coleta de amostras através de blocos indeformados ou tubos Shelby Moldar as amostras no anel metálico realizar pesagens e determinações dos índices físicos sobretudo o índice de vazios inicial e0 Posicionar a amostra confinada no anel metálico na célula de adensamento e inundar se for o caso AULA 04 PROCEDIMENTO ABNTMB3336 Aplicar uma tensão inicial de assentamento de 5kPa para solos resistentes ou 2 kPa para solos moles Zerar o extensômetro e aplicar tensões sempre dobrando a carga Realizar as medições das deformações correspondentes sugerese a aplicação de 10 20 40 80 100kPa etc em tempos com progressão geométrica igual a 2 n i n Reduzir as tensões na proporção inversa do carregamento e realizar as medições das deformações n Após o ensaio retirase a mostra imediatamente do anel e pesase para que se determine o peso específico e sua secagem para a determinação de seu teor de umidade AULA 04 Objetivo Principal do Ensaio é a obtenção da curva índice de vazio X pressão A curva é fruto dos estágios de carregamento Cada estágio tem um einicial e um efinal que varia em função da aplicação da carga deformação vertical altura por eliminação de vazios água Assim o e é decrescente no carregamento AULA 04 a determinação do Índice de compressão Cc o índice de recompressão Cr e o de descarga Cd 1 2 2 1 LogP LogP e e Cr e Cd Cc AULA 04 b determinação da pressão de pré adensamento p A pressão de préadensamento é definida como sendo a maior carga que o solo esteve submetido em sua história geológica É possível determinar esta pressão graficamente pois é visível a mudança de comportamento através do gráfico índice de vazios versus tensão Existem duas maneiras para a determinação da pressão de préadensamento O método de Casagrande e o método de Pacheco Silva p AULA 04 b1 determinação da pressão de pré adensamento por Casagrande p Definir um ponto de menor raio da curva Traçamse duas retas uma tangente e outra horizontal Determinase a bissetriz entre a tangente e a horizontal Prolongase a reta virgem até encontrar a bissetriz O ponto de encontro destas retas determina no eixo das tensões o valor de p AULA 04 b2 determinação da pressão de pré adensamento por Pacheco Silva p Traçar uma reta horizontal a partir o índice de vazios inicial No ponto de intersecção traçar uma reta vertical até a curva de adensamento Pelo ponto de intersecção traçar uma reta horizontal até o segmento de reta que foi prolongado da reta virgem O ponto de encontro destas retas determina no eixo das tensões o valor de p AULA 04 b qual importância prática do valor de p Retrata uma mudança de comportamento Tensões aplicadas no solo em valores acima deste provocarão grandes deformações Tensões aplicadas abaixo desse valor sugerem pouco recalque É um valor de referência para dimensionamento de fundações admissível e outros estudos de carregamentos AULA 04 Construir a curva de adensamento determinar Cc Cr e p do solo adotar índice de vazios inicial de 35 AULA 04 b Cálculo e Interpretação da razão de pré adensamento OCR Over Consolidation Ratio Classificação OCR1 Solo préadensado PA Pré Adensado OCR1 Solo em adensamento OCR1 Solo normalmente adensado NA Normalmente Adensado p OCR Onde pressão de pré adensamento tensão efetiva de campo atuante p AULA 04 b Interpretação da razão de pré adensamento OCR OCR1 PA OCR1 Solo em adensamento OCR1 NA Algumas causas podem ser apontadas para o surgimento da pressão de préadensamento tais como Oscilação do nível de água do solo que ocasiona uma variação da pressão neutra Ressecamento do solo superficial que gera uma tensão de sucção Cimentação e tensões residuais da rocha de origem Variações de tensões no solo em sua história geológica AULA 04 b Interpretação da razão de pré adensamento OCR OCR1 PA OCR1 Solo em adensamento OCR1 NA Situação A Um solo constituído de uma argila mole saturada é formado através de processos sedimentares Situação B Um solo de areia é depositado sobre a argila mole saturada carregandoo Desta forma a argila mole entra em processo de adensamento O carregamento ocasionado pela camada de areia permanece durante muito tempo o suficiente para que seja expulsa a água correspondente ao carregamento Nesta situação a argila mole encontrase no estado normalmente adensado NA 11 h situação B de areia AULA 04 b Interpretação da razão de pré adensamento OCR OCR1 PA OCR1 Solo em adensamento OCR1 NA Situação C Parte da camada de areia é transportada reduzindo a carga aplicada na argila mole Nesta situação o solo encontrase no estado préadensado PA Devido ao fato de que o solo sofreu um carregamento anterior este pode ser carregado novamente até um determinado limite sem que sofra grandes deformações 3 2 1 h h h 11 h situação B de areia 21 h situação C de areia AULA 04 b Alguns Valores OCR Over Consolidation Ratio em SC AULA 04 Estimar o OCR das seguintes situações e comentar 5m ARGILA MOLE SATURADA 6m ARGILA MOLE SATURADA 2m AREIA POUCO COMPACTA AULA 04 Formulação completa para o cálculo p vf Cc v p Cr e H S p log log 1 0 0 Onde Sp Recalque por Adensamento Primário e0 Índice de Vazios Inicial antes do carregamento Cr e Cc coeficientes de recompressão e compressão p tensão de pré adensamento v0 tensão efetiva no solo antes do carregamento vf tensão efetiva final no solo após dissipação do acréscimo de poropressão provocado pelo carregamento AULA 04 Considere a situação abaixo sobre a qual será construído um aterro que transmitirá um pressão de 40kpa O terreno foi sobreadensado pelo efeito de uma camada de um metro e meio de areia superficial que teria sido erodida logo a tensão de pré adensamento é de 18kpa superior à tensão efetiva existente em qualquer ponto Adote Cc18 Cr03 AULA 04 Estimar o recalque da camada de argila com base no desenho e nas informações contidas no mesmo 1m 1m 10t 15m Areia pouco compacta 17KNm³ Argila mole Rocha intensamente fraturada 35m 4m 2m AULA 05 a transferência do acréscimo de pressão neutra gerado pelo carregamento externo para o corpo sólido do solo para os solos moles se dá de maneira lenta e gradual o ensaio de adensamento baseado nos princípios e hipóteses instituídos por TERZAGUI obtém informações importantes no entendimento do recalque X tempo o tempo de recalque pode ser um fator decisivo na tomada de decisão do engenheiro em relação à uma dada obra ou serviço o estudo do recalque primário sugere a obtenção além da estimativa do seu valor o estudo da evolução do mesmo em medida temporal u devem ser obtidos parâmetros Uz cv e av fundamentais no estudo recalque X tempo AULA 05 O coeficiente de adensamento cv é um parâmetro chave para o estudo da evolução do recalque com o tempo Ele é função direta das características do solo como permeabilidade porosidade e compressibilidade Conforme hipótese adotada se mantêm constante durante o adensamento pode ser obtido graficamente a partir dos dados do ensaio ciclos de carregamento ou a partir das propriedades do solo e do av O av é a inclinação da reta das tensões efetivas e o índice de vazios será um dado de entrada nos nossos problemas AULA 05 A velocidade do adensamento depende diretamente da quantidade de faces drenantes a qual o solo em adensamento está em contato Hd representa a maior distância de percolação da água existente no sistema AULA 05 Relaciona os tempos de recalque às características do solo através do cv a ser tratado a seguir e às condições de drenagem do solo através do Hd sendo Hd a metade da altura da amostra Se existe completa drenagem nas duas extremidades da amostra para t 0 a sobrepressão neutra nessas extremidades é nula e Hd representa a maior distância de percolação da água Onde t tempo Hd maior distância de percolação cv coeficiente de adensamento AULA 05 logo é a relação do recalque total sofrido no instante t e o recalque total devido ao carregamento 1 1 1 2 1 2 1 1 u u u e e e e U t z A partir da hipótese admitida de variação linear do índice de vazios em função do aumento da tensão efetiva o grau de adensamento representa a relação entre a variação de índice de vazios até o instante de tempo t e a variação do índice de vazios devida ao carregamento os recalques por adensamento seguem essa evolução padrão podem ser calculados por 04 expressões na prática ele é obtido graficamente em função do Fator T cuja explicação vem em adiante AULA 05 Ele representa o grau de adensamento à uma profundidade z Cada isócrona indica para um dado Fator T como se desenvolve o adensamento em relação à profundidade quanto mais próximo o elemento em análise estiver da face de drenagem mais rapidamente as pressões neutras se dissipam O tempo de dissipação depende de cada solo Espessura da camada H AULA 05 Exemplo tomando a isócrona de T 03 no centro da camada para este fator tempo estará ocorrendo 40 de adensamento a um quarto de profundidade o grau de adensamento terá sido 57 a um oitavo de profundidade 77 Espessura da camada H AULA 05 A curva representa a relação entre o recalque sofrido até o instante considerado e o recalque total correspondente ao carregamento AULA 05 A partir do problema resolvido na Aula 04 calcule o que se pede sabendose que o cv obtido no ensaio é de 59102 m²dia a Que recalque terá ocorrido em 100 dias b Em que tempo ocorrerá um recalque de 15cm c Como o problema se alteraria se a camada abaixo da argila mole fosse impermeável AULA 05 existem métodos de cálculo estimados a partir da deformação específica ou a partir do índice de vazios Ajuste plástico do tecido de solo das 2007 mais importante para solos orgânicos e inorgânicos altamente compressíveis ajustes de longo prazo nos inúmeros contatos entre as partículas minerais argila que se dão com pequenos deslocamentos normalmente este valor é desprezado na prática alguns pesquisadores assumem sendo 05 a 3 da espessura da camada mole a ocorrer em período de 10x o tempo do recalque primário como é de longíssimo prazo assumese que as estruturas se adaptem a essas novas condições