Resistência ao Cisalhamento em Mecânica dos Solos II - Aulas 09 e 10

Gissele Rocha 1 AULAS 09 e 10 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO MECÂNICA DOS SOLOS II 1 1 ESCOLA DE ENGENHARIA DE MINAS GERAIS MECÂNICA DOS SOLOS II Ensaios para a determinação da resistência ao cisalhamento de solos Os parâmetros de resistência ao cisalhamento de solos podem ser determinados em laboratório por dois tipos principais de ensaios ensaio de cisalhamento direto ensaio de compressão triaxial 2 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO Ensaios para a determinação da resistência ao cisalhamento de solos 3 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Para cada solo são ensaiados vários corpos de prova preparados sob condições idênticas Três leituras são tomadas durante o ensaio Deslocamento horizontal Força cisalhante aplicada Deformação vertical que fornecerá a variação de volume do corpo de prova Para cada corpo de prova obtémse uma curva tensãodeformação a qual convenientemente interpretada fornece tensões que permitirão um diagrama σ x τ a definição da envoltória de resistência Ensaios para a determinação da resistência ao cisalhamento de solos 4 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO O ensaio de cisalhamento direto é executado em uma caixa metálica bipartida deslizandose a metade superior do corpo de prova em relação à inferior O corpo de prova é inicialmente comprimido pela força normal N seguindose a aplicação da força cisalhante T Esta força impõe um deslocamento horizontal Δl à amostra até a ruptura do corpo de prova que ocorre ao longo do plano XX Para cada tensão normal aplicada σ NA obtémse um valor de tensão cisalhante de ruptura τ TA permitindo o traçado da envoltória de resistência CONDIÇÃO DRENADA E NÃO DRENADA 5 Como caracterizar condição drenada ou não drenada Através da velocidade de carregamento dos ensaios de cisalhamento direto e compressão triaxial que é obtida no ensaio de adensamentoconsolidação TaylorCasagrande Condição drenada A velocidade de carregamento é menor que a velocidade de dissipação da poropressão Condição não drenada Não necessariamente tem que estar saturado A velocidade de carregamento é maior que a velocidade de dissipação da poropressão CONDIÇÃO DRENADA E NÃO DRENADA Ensaios para a determinação da resistência ao cisalhamento de solos 7 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO O ensaio de cisalhamento direto é sempre drenado devendo ser executado lentamente para impedir o estabelecimento de poropressões nos poros da amostra A condição drenada implica a total dissipação de poropressões durante o cisalhamento Nas areias devido a alta permeabilidade isto é automático em solos argilosos é necessário reduzir a velocidade de deformação para aumentar o tempo de ensaio Método de Taylor raiz de t Ensaio de cisalhamento direto Esquema adotado para a realização do ensaio de cisalhamento direto Carga axial Pedra porosa Pedra porosa Drenos 8 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO O ensaio de cisalhamento direto é realizado de acordo com o seguinte esquema Força normal N Placa de carregamento Pedra porosa Plano de cisalhamento Cé Pedra porosa Corpo de prova Força cisalhante T lula célula de cisalhamento Força normal N Placa de carregamento Pedra porosa Plano de cisalhamento Cé Pedra porosa Corpo de prova Força cisalhante T Força normal N Placa de carregamento Pedra porosa Plano de cisalhamento Pedra porosa Corpo de prova Força cisalhante T Dimensões do corpo de prova 51mm x 51mm x 25mm ou 102mm x 102mm x 25mm Caixa bipartida 9 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Ensaio de cisalhamento direto A parte inferior é fixa e a parte superior é livre para moverse ou o contrário Sobre o corpo de prova aplicase uma tensão normal que permanece constante até o final do ensaio 10 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO São tomadas três leituras durante o ensaio deslocamento vertical δv Força cisalhante T deslocamento horizontal δh 11 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 12 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Ensaio de cisalhamento direto componentes 13 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Ensaio de cisalhamento direto componentes 14 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Prensa de cisalhamento direto vista frontal 15 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Prensa de cisalhamento direto vista superior Ensaio de cisalhamento direto Com as leituras tomadas são calculadas então Tensão normal σ NA Tensão de cisalhamento τ TA Deformação volumétrica εv VVo δvA hoA δv ho Deslocamento horizontal δh 16 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 17 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Aspectos falhos ou limitações do ensaio O principal problema a ser apontado neste ensaio é a imposição de uma superfície de ruptura principalmente em solos homogêneos O solo não rompe segundo o plano de maior fraqueza mas ao longo do plano horizontal XX Este problema é mais complexo quando analisase a restrição de movimentos imposta às extremidades da amostra no plano de ruptura ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO τ δh 0 areia compacta VV 0 expansão compressão δh areia fofa areia compacta areia fofa areia compacta areia fofa Resistência residual Resistência de pico Deslocamento horizontal areia compacta areia fofa Deslocamento horizontal Tensão cisalhante 19 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS τ δh areia compacta areia fofa areia compacta areia fofa compressão expansão δh vv estado compacto expansão no cisalhamento τ τ τ τ estado fofo compressão no cisalhamento Por que ocorre expansão ou compressão do corpo de prova 20 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS Variação do índice de vazios em função do deslocamento cisalhante 21 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS EMBRICAMENTO OU INTERLOCKING O embricamento é definido com o trabalho necessário para movimentar a partícula ascendentemente No caso do solo fofo os grãos movimentamse horizontalmente sendo mobilizada a resistência entre grãos Já no caso do solo denso existe um trabalho adicional para superar o embricamento entre partículas causando necessariamente uma expansão volumétrica durante o cisalhamento dilatância Assim quanto mais denso for o solo maior a parcela de interlocking e conseqüentemente maior a resistência do solo Variação do índice de vazios em função do deslocamento cisalhante 22 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS EMBRICAMENTO OU INTERLOCKING Em resumo o mecanismo de interlocking interfere na resistência do solo da seguinte forma Para determinado valor de tensão normal σ índice de vazios e embricamento Para determinado índice de vazios e tensão normal σ embricamento Variação do índice de vazios em função do deslocamento cisalhante 23 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS Índice de Vazios Crítico O índice de vazios crítico não é uma característica do material e depende do nível de tensão confinante isto é quanto maior for a tensão confinante menor será o índice de vazios crítico A tendência de dilatação será tanto maior quanto maior for o índice de vazios critico ou menor for a tensão confinante altas tensões confinantes reduzem a capacidade de dilatação do solo Amostra de areia moldada com 4 índices de vazios diferentes TRACEJADA amostra ensaiada no ecrit ecrit não há variação de volume por ocasião da ruptura Interpolação dos resultados de ensaios Areia compacta Areia fofa Resistência residual Resistência de pico Deslocamento horizontal Índice de vazios Índice de vazios crítico RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS Variação dos índices de vazios após ruptura os CPs tendem ao mesmo e que é o ecrit ecrit e em que a areia sofre deformação sem variação de volume ruptura Importante na previsão do comportamento de areias saturadas sem possibilidade de drenagem e com solicitação dinâmica rápidas e ecrit Dilatação água entra sem drenagem sucção tensão efetiva e ecrit Contração água sai sem drenagem u positiva tensão efetiva u pode ser tão alto que nas areias finas provoca a LIQUEFAÇÃO τ σn3 σn2 σn1 δ 0 7 11 14 e constante σn1 VV σn2 σn3 δ 0 expansão compressão φ τ σn σn3 σn2 σn1 7 11 14 Envoltória de MohrCoulomb 25 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS Variação do índice de vazios em função do deslocamento cisalhante 26 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS Solos arenosos têm seu comportamento tensão deformação resistência influenciado por 1 Compacidade AC embricamento φ resistência 2 Tensão confinante σ3 confinamento resistência 3 Tipo de areia formato dos grãos e distribuição granulométrica Os 2 primeiros são sem dúvida os mais importantes COMPACIDADE 27 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS Areias fofas apresentam inicialmente elevado índice de vazios com o cisalhamento o índice de vazios vai reduzindo em função de sua compressão Ao contrário as areias compactas devido a sua tendência de dilatação resultam em aumento do índice de vazios durante o cisalhamento TENSÃO CONFINANTE 28 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS Quanto maior o confinamento maior é a resistência Esta relação é aproximadamente linear resultando numa envoltória passando pela origem Na realidade a envoltória é curva havendo uma redução no ângulo de atrito com o aumento de σ3 Maiores tensões confinantes tendem a causar quebra nos pontos de contato entre partículas reduzindo o mecanismo de embricamento e portanto a resistência do material Logo é mais fácil cisalhar solos arenosos sob tensões confinantes mais elevadas Variação do índice de vazios em função do deslocamento cisalhante 29 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS TIPO DE AREIA Evidencias experimentais indicam que i o tamanho da partícula pouco afeta a resistência há uma compensação de efeitos maiores diâmetros tenderiam a maiores graus de embricamento e em contrapartida maior efeito de quebra de grãos ii a resistência de um solo bem graduado tende a ser maior que a do solo uniforme solo bem graduado facilita o embricamento e portanto possui maior tendência à dilatação iii grãos angulares tendem a apresentar resistência maior do que grãos arredondados maior angulosidade acarreta em maior embricamento iv a mineralogia pouco afeta grãos de quartzo possuem maior resistência Variação do índice de vazios em função do deslocamento cisalhante 30 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA Quanto mais bem distribuída maior o entrosamento dos grãos ENTROSAMENTO papel dos grãos grossos é diferente do desempenhado pelos grãos finos Variação do índice de vazios em função do deslocamento cisalhante 31 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DAS AREIAS FORMATO DOS GRÃOS Grãos arredondados ou esféricos tem ângulo de atrito interno menor do que os angulares RESIDUAL x ALUVIÃO Ensaio de cisalhamento direto em AREIA SECA Envoltória de resistência de pico Envoltória de resistência residual 32 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO Ensaio de cisalhamento direto em ARGILAS SATURADAS Envoltória de resistência de pico argila sobreadensada Envoltória de resistência residual Envoltória de resistência de pico argila normalmente adensada 33 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO Exemplo 01 Um conjunto de 04 ensaios de cisalhamento direto foi realizado sobre amostras saturadas de uma argila sobreadensada conforme os dados apresentados na Tabela abaixo As amostras quadradas tinham 51mm de lado e 25 mm de altura Determinar as respectivas envoltórias de ruptura de pico e residual desse solo assim como os correspondentes parâmetros de resistência Ensaio Carga axial N Força cisalhante de pico N Força cisalhante residual N 1 150 1575 442 2 250 1999 566 3 350 2576 1029 4 550 3634 1445 34 EXERCÍCIO 1 Exemplo 01 Resultados Ensaio Carga axial N Área m2 σ kPa Força cisalhante de pico N Tensão cisalhante de pico kPa Força cisalhante residual N Tensão cisalhante residual kPa 1 150 00026 58 1575 61 442 17 2 250 00026 96 1999 77 566 22 3 350 00026 135 2576 99 1029 40 4 550 00026 211 3634 140 1445 56 35 EXERCÍCIO 1 Solução Exemplo 01 Resultados τ 052σ 29 τ 027σ 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 50 100 150 200 250 Resistência de pico Resistência residual Tensão normal efetiva σkPa Tensão cisalhante τ kPa c29 kPa φ27o c0 kPa φ15o 36 EXERCÍCIO 1 Solução