Slide 1 - Compressibilidade e Adensamento

1 Compressibilidade e Adensamento (Parte 1) Mecânica dos Solos II – UERJ Fernando Eduardo Rodrigues Marques 2. COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO 2.1. Introdução 2.2. Definição de adensamento 2.3. Modelo de Terzaghi 2.4. Correspondência entre o Modelo de Terzaghi e o carregamento de um estrato confinado 2.5. Distinção entre solos granulares e argilosos quanto ao adensamento 2.5.1. Tempo de adensamento 2.5.2. Grandeza das deformações 2.5.3. Evolução das tensões ao longo do tempo 2.6. Ensaio oedométrico 2.6.1. Conceitos básicos e equipamento 2.6.2. Realização experimental 2.6.3. Resultados obtidos Mecânica dos Solos II – UERJ 1 2 2 2. COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO 2.7. Tratamento dos resultados do ensaio oedométrico 2.7.1. Curva de adensamento 2.7.2. Determinação da tensão de pré-adensamento 2.7.3. Parâmetros definidores das relações tensão- deformação (av; mv; Cc; Cr) 2.8. Estimativa do recalque por adensamento 2.9. Teoria de adensamento (unidimensional) de Terzaghi 2.9.1. Hipóteses base 2.9.2. Dedução da equação de adensamento 2.9.3. Soluções da equação de adensamento 2.10. Cálculo do recalque em qualquer instante 2.11. Avaliação do coeficiente de adensamento, cv 2.11.1. Método de Casagrande 2.11.2. Método de Taylor Mecânica dos Solos II – UERJ 2.12. Compressão secundária 2.13. Recalque por adensamento secundário 2.14. Carregamento de estratos não confinados 2.15. Aceleramento do adensamento 2.15.1. Método da pré-carga 2.15.2. Uso de drenos verticais 2. COMPRESSIBILIDADE E ADENSAMENTO Mecânica dos Solos II – UERJ 3 4 3  Qualquer material sujeito a uma determinada solicitação deforma-se no sentido se suportar essa solicitação.  Relativamente aos solos, quer estes constituam parte ou a totalidade da estrutura a analisar, importa avaliar o valor das deformações que estes sofrerão, de forma a evitar um mau funcionamento ou a ruína das estruturas. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.1. Introdução  Considere-se um maciço estratificado sobre o qual se pretende construir um aterro de grandes dimensões em planta:  Solo saturado: a redução de volume que experimentam devido ao carregamento só pode ocorrer à medida que a água seja expulsa do solo.  Solo fino  baixa permeabilidade: a expulsão de água é demorada, pelo que as deformações volumétricas podem estender-se por períodos de tempo longos. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.1. Introdução 5 6 4  Uma vez que as dimensões em planta da área carregada são muito superiores à espessura do conjunto dos estratos compressíveis, estes dizem-se confinados ou carregados em condições de confinamento lateral.  Quando se carrega um estrato confinado ocorrem apenas extensões verticais (as deformações na direção horizontal são nulas). Dqs1 d1 Dqs2 d2 d12 Mecânica dos Solos II – UERJ  2.1. Introdução  Num estrato confinado apenas existe deformação se e só se ocorrer variação de volume (apenas há deformações verticais  redução da espessura do estrato).  Num estrato não confinado podem existir deformações sem que ocorra variação de volume (há deformações verticais e horizontais). Mecânica dos Solos II – UERJ  2.1. Introdução 7 8 5  Dado que o maciço em causa está saturado e a água e as partículas sólidas são incompressíveis, a variação de volume apenas pode ocorrer devido à variação do volume de vazios (isto é, redução do índice de vazios), que implica necessariamente uma expulsão de parte da água que preenche os vazios do solo.  Se o volume de vazios diminui:  nos solos granulares aumenta a compacidade, isto é, diminui a compressibilidade;  nos solos argilosos aumenta a consistência, isto é, diminui a compressibilidade. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.1. Introdução  Deformabilidade: é uma medida das deformações volumétricas e das distorções sofridas pelo solo quando carregado.  Compressibilidade: é uma medida das deformações volumétricas sofridas pelo solo quando carregado.  O fenómeno agora descrito é designado por adensamento. O adensamento é um fenómeno que está relacionado com a deformação dos solos, mas que ocorre em situações particulares: solos saturados e confinados. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.1. Introdução 9 10 6  A compressibilidade de solos confinados caracteriza-se, em geral, por:  uma acentuada redução com o aumento do nível de sv (o que é explicável porque á medida que as deformações se processam o Vv diminui  aumenta a compacidade ou a consistência do solo);  as deformações exibirem reduzida parcela reversível (isto é consequência de a redução do Vv se fazer à custa de novos arranjos estruturais que se traduzem em equilíbrios interpartículas de maior estabilidade. Comportamento elastoplástico dos solos Mecânica dos Solos II – UERJ  2.1. Introdução  Adensamento é o fenómeno de adensamento da fase sólida que ocorre em solos saturados e confinados, durante o qual existe transferência do incremento de tensão total da fase líquida para a fase sólida, sendo a velocidade do processo decrescente ao longo do tempo.  Este adensamento da fase sólida só é possível devido à expulsão da água que ocupa os vazios do solo (há uma diminuição do Vv  DVv = DV, e pelo facto de o estrato estar confinado, esta DVv traduz-se por uma deformação vertical  redução da espessura do estrato  à superfície do maciço ocorrem recalques). Mecânica dos Solos II – UERJ  2.2. Definição de adensamento 11 12 7  De modo a simular de forma “real” as condições de campo, recorre-se neste modelo a:  um reservatório cilíndrico de paredes rígidas (de modo a simular o confinamento lateral do estrato) com um êmbolo em forma de disco;  uma mola que liga o disco á base do recipiente (a mola representa as tensões atuantes no esqueleto sólido – a mola apenas recebe força se se deformar);  água, a qual representa a água existente nos vazios do solo (solo saturado  o recipiente está totalmente cheio com água);  um orifício muito estreito no disco, para simular a permeabilidade do solo. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.3. Modelo de Terzaghi  Antes do carregamento, t =0-  Situação de equilíbrio (corresponde à situação de repouso na condição de campo)  A força na mola, Fm, equilibra o peso do disco, Pd. Fm = Pd Mecânica dos Solos II – UERJ  2.3. Modelo de Terzaghi 13 14 8  Aplicação do carregamento, t =0 ≡ t =0+  Pousa-se bruscamente um objecto de peso P0 sobre o disco (carregamento).  Nesse instante a força na mola não varia, porque o respectivo comprimento ainda não se alterou (ainda não ocorreu a saída de água do recipiente): Fm = Pd.  O peso do objecto tem que ser suportado pela água, na qual se desenvolve uma sobrepressão, ue(0). O produto desta pela área do disco, S, será igual ao peso do objecto: S. ue(0) = P0 Mecânica dos Solos II – UERJ  2.3. Modelo de Terzaghi  Instante t  A sobrepressão gerada na água, ue(0), vai fazer com que se inicie o escape da água através do orifício, permitindo a descida do disco, o encurtamento da mola, logo o crescimento da força nesta mobilizada.  Num instante t, o peso do objecto será suportado em simultâneo pela água e pela mola. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.3. Modelo de Terzaghi 15 16 9  Instante t  Fracção do peso do objecto suportado pela mola no instante t será designada por U (U vai crescendo com a expulsão de água do recipiente).  A sobrepressão na água vai diminuindo com a expulsão de água do recipiente sendo no instante t igual a ue(t).  Fm = Pd + P0 .U  S.ue(t) = P0 .(1 - U) Mecânica dos Solos II – UERJ  2.3. Modelo de Terzaghi  Muito tempo após a aplicação da solicitação, a pressão da água sob o disco retoma o valor da pressão atmosférica (todo o excesso de tensão neutra já se dissipou, isto é cessou o escoamento de água).  Equilíbrio final, t =∞  O disco estaciona (cessam as deformações na mola) e uma nova situação de equilíbrio análoga à inicial é restabelecida).  Neste instante a deformação na mola é tal que ela absorve toda a solicitação (peso do objecto): Fm = Pd + P0 Mecânica dos Solos II – UERJ  2.3. Modelo de Terzaghi 17 18 10 Mecânica dos Solos II – UERJ 2.4. Correspondência entre o modelo analógico de Terzaghi e o carregamento de um estrato confinado  Para resolvermos um problema de adensamento, temos que responder a 3 questões: 1. Evolução das tensões ao longo do tempo; 2. Avaliar a grandeza das deformações; 3. Estimar o tempo de adensamento. Mecânica dos Solos II – UERJ 19 20 11 Solos granulares (de alta permeabilidade) Solos argilosos (de baixa permeabilidade) 3 – Tempo de adensamento t =0+ ≡ t =∞ Fenómeno é instantâneo t =0+ <<<< t =∞ Fenómeno é diferido no tempo Mecânica dos Solos II – UERJ 2.5. Distinção entre solos granulares e solos argilosos quanto ao adensamento (compressibilidade) Solos granulares (de alta permeabilidade) Solos argilosos (de baixa permeabilidade) 2 – Grandeza das deformações Dhgran relativamente pequenos, uma vez que estes solos sob solicitações estáticas são relativamente pouco compressíveis. Dharg >>>> Dhgran, em especial quando os solos argilosos são recentes (elevados índices de vazios e teores em água, logo muito compressíveis). Mecânica dos Solos II – UERJ 2.5. Distinção entre solos granulares e solos argilosos quanto ao adensamento (compressibilidade) 21 22 12 Solos granulares (de alta permeabilidade) Solos argilosos (de baixa permeabilidade) 1 – Evolução das tensões ao longo do tempo (função da permeabilidade do solo) A transferência de tensões é instantânea (t =0+ ≡ t =∞) Para t=0+ e t=∞ v v e u s s  D D D  ' 0 A transferência de tensões é diferida no tempo Para t=0+ D '  0  D D v v e u s s Para t=∞ v v e u s s  D D D  ' 0 Mecânica dos Solos II – UERJ 2.5. Distinção entre solos granulares e solos argilosos quanto ao adensamento (compressibilidade) 1 – Evolução das tensões ao longo do tempo  Maciço carregado à superfície por uma sobrecarga uniforme distribuída numa área infinita sq D Mecânica dos Solos II – UERJ 2.5. Distinção entre solos granulares e solos argilosos quanto ao adensamento 23 24 13 1 – Evolução das tensões ao longo do tempo (ponto genérico no estrato de argila) u v v ,s ' , s 'v 0 s v 0 s 0 u s v  Dq Ds v s u v' s s v e q u  D  D s 0) ( s v D '  Dq s t Mecânica dos Solos II – UERJ 1 – Evolução das tensões ao longo do tempo (ponto genérico no estrato de areia) u v v ,s ' , s 'v 0 s v 0 s 0 u s v  Dq Ds v s u v' s 0 (0)  eu s v D '  Dq s t Mecânica dos Solos II – UERJ 25 26 14 Evolução dos recalques (assentamentos) da superfície do terreno com o tempo Mecânica dos Solos II – UERJ Recalque (assentamento)  O recalque por adensamento, diferido no tempo, evolui com uma taxa de variação cada vez menor, dado que à medida que o excesso de pressão neutra tende para zero o gradiente hidráulico e a velocidade de percolação tendem igualmente para zero.  A velocidade com que se processa a dissipação do excesso da pressão neutra depende essencialmente de três aspectos: i. da permeabilidade da argila; ii. da espessura do estrato de argila; iii. das condições de drenagem nas fronteiras do estrato. 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