Slide 6 - Compressibilidade e Adensamento

1 Compressibilidade e Adensamento (Parte 6) Mecânica dos Solos II – UERJ Fernando Eduardo Rodrigues Marques  Já se referiu que concluído o processo de transferência de carga aplicada da água dos poros para o esqueleto sólido não se verifica uma completa estabilização das deformações. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.12. Compressão secundária 1 2 2  Este último processo de deformação ocorre sob tensão efectiva constante e parece ser resultado da fluência do esqueleto sólido e das camadas de água adsorvida onde se verificam reajustamentos ao longo de um período de tempo muito dilatado.  A este processo dá-se o nome de adensamento (compressão) secundária ou secular.  De modo a marcar uma distinção entre este processo de deformação e o descrito anteriormente, esse é designado por adensamento primário ou hidrodinâmico. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.12. Compressão secundária  Estando o solo saturado o adensamento secundário só pode ocorrer à custa da expulsão da água do solo.  Assim, terão que existir necessariamente excessos de pressão neutra e gradientes hidráulicos, embora extremamente pequenos, aos quais corresponderá um fluxo de velocidade também extraordinariamente baixa, que já não é regido pela lei de Darcy. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.12. Compressão secundária 3 4 3  A figura seguinte mostra que num registo semilogarítmico os recalques variam linearmente com o tempo durante o adensamento secundário. Dh100 t100 = t1 t2 De Mecânica dos Solos II – UERJ  2.13. Recalque por adensamento secundário  A variação do índice de vazios da amostra exprime-se pela equação: 1 2 log t t C e    D  sendo: C – coeficiente de adensamento secundário; t2 - instante de tempo em que se pretende conhecer o recalque; t1 - instante de tempo correspondente ao fim do adensamento primário (por vezes utiliza-se para t1 o valor t90, ou seja, o instante correspondente a um grau de adensamento médio de 90%). Mecânica dos Solos II – UERJ  2.13. Recalque por adensamento secundário 5 6 4  O recalque por adensamento secundário pode calcular-se pela expressão: 1 log 2 1 t t C e h hcs     D   A estimativa aproximada de C é particularmente difícil, exigindo ensaios oedométricos com escalões de carga de muita longa duração (muito maior do que a adoptada nos ensaios correntes, que é de 24 horas) sobre amostras de muito boa qualidade. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.13. Recalque por adensamento secundário  O adensamento secundário é significativo nos depósitos recentes de solos argilosos de alta plasticidade e (ou) alto conteúdo em matéria orgânica. Pelo contrário, é em regra desprezável nos depósitos sobreadensados.  Classificação dos solos argilosos quanto à importância do adensamento secundário: C / (1+e) Classificação < 0,002 Muito baixo 0,004 Baixo 0,008 Médio 0,016 Alto 0,032 Muito alto 0,064 Extremamente alto Mecânica dos Solos II – UERJ  2.13. Recalque por adensamento secundário 7 8 5  No caso de carregamento de um estrato não confinado para qualquer ponto fora do eixo vertical de simetria o vector deslocamento tem uma componente horizontal não nula, no próprio instante em que a carga é aplicada à superfície. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados  Devido ao facto de as deformações horizontais deixarem de ser nulas, concomitantemente com a aplicação da carga, ocorre um recalque designado por recalque imediato, que está associado a distorção e não a deformação volumétrica, já que esta só ocorrer à custa da expulsão de água, isto é por adensamento. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados 9 10 6  Devido ao facto de na altura do carregamento a variação volumétrica da argila ser nula, ao recalque imediato, Dhi, sob a área carregada associa-se um levantamento da superfície nas zonas vizinhas. Recalque imediato Levantamento Deslocamentos horizontais Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados  Ainda em consequência do recalque imediato, Dhi, ocorrido concomitantemente com a aplicação da carga, em cada ponto o excesso de pressão gerado deixa de ser igual ao incremento de tensão total vertical, passando este a repartir-se no próprio instante do carregamento, pelas duas fases do solo: Para t = 0+: D '  0  D D v v e u   v v u  '   D  D D  Portanto, o acréscimo de tensão neutra que tem de ser dissipado (a carga que tem que ser transferida da fase líquida para o esqueleto sólido) durante o processo de adensamento é menor do que no caso de se ter um estrato confinado. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados 11 12 7  Generalização da analogia (modelo) de Terzaghi para estratos não confinados:  A diferença deste modelo relativamente ao modelo primitivo (estratos confinados) reside no facto de parte da parede do recipiente ser constituída por uma membrana elástica; Membrana elástica Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados  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  2.14. Carregamento de estratos não confinados 13 14 8  Aplicação do carregamento, t =0 ≡ t =0+  Pousa-se bruscamente um objecto de peso P0 sobre o disco (carregamento).  Nesse instante gera-se um aumento da pressão de água, o qual deforma a membrana lateral, o que permite uma descida do disco, si, ainda que nenhum volume de água tenha sido expulso. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados  Aplicação do carregamento, t =0 ≡ t =0+  O peso do objecto neste instante é partilhado pela água (através da sobrepressão ue(0)), e pela mola.  Devido à descida imediata do disco a mola deforma-se, pelo que vai absorver parte do peso do objecto.  Se A for a fracção do peso do objecto equilibrada pela sobrepressão da água, então 1-A será a fracção equilibrada pela mola: S . ue(0) = A . P0 Fm = Pd + (1 - A) . P0 Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados 15 16 9  Instante t  A diferença de pressões na interface água-atmosfera vai induzir a expulsão da água, com descida do disco e com transferência progressida da força A.P0 para a mola. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados  Instante t  Fracção da A.P0 já transferida da água para a 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 + (1 - A).P0 + A.P0 .U  S.ue(t) = A.P0 .(1 - U) Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados 17 18 10  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  2.14. Carregamento de estratos não confinados  Do exposto verifica-se que o recalque por adensamento no caso de estratos não confinados será menor do que o verificado na situação em que os estratos são confinados (para o mesmo carregamento e mesmas condições geotécnicas).  O cálculo do recalque por adensamento (estratos não confinados) é muito mais complexo do que na situação de os estratos estarem confinados.  A metodologia mais adequada para o efeito baseia-se no método dos elementos finitos, entrando em consideração com as relações tensões-deformações- tempo do solo por meio de modelos constitutivos mais ou menos sofisticados. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados 19 20 11  Uma solução expedita para o problema consiste em admitir que após o carregamento, o processo de adensamento se desenrola sem substanciais deformações na direcção horizontal, isto é, de forma não muito distinta daquela que ocorreria se o solo estivesse confinado.  Skempton e Bjerrum sugeriram a aplicação de um factor correctivo ao recalque por adensamento (determinado através da teoria de Terzaghi para estratos confinados) para determinar o recalque por adensamento na situação dos estratos não estarem confinados:   cp cp corrigido h h  D  D  Cuidado: solução expedita, mas que pode conduzir a erros grosseiros. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados B H Argila D Sobreconsolidada Normalmente consolidada Argila sensível Parâmetro Af Coeficiente de assentamento,  Correcção de Skempton – Bjerrum  valor corrigido do recalque:   cp cp corrigido h h  D D   fundação circular fundação contínua Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados 21 22 12  A carga que é transferida da água para o esqueleto sólido é menor do que na situação em que os estratos são confinados. Será então o tempo de adensamento menor?  Para o cálculo do tempo de adensamento (em estratos confinados) não interessa o valor da carga a ser transferida da fase líquida para a fase sólida do solo: vc T H t 2   Será então o tempo de adensamento igual? Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados  O tempo de adensamento (estratos confinados) depende das condições geométricas e de drenagem (espessura do estrato e nº de fronteiras drenantes) e de permeabilidade do maciço (cv relaciona-se com k) – escoamento de água é unidimensional.  No caso dos estratos serem não confinados, já vimos que se processam deformações na direcção horizontal, pelo que o escoamento de água durante o processo de adensamento não é unidimensional, mas na realidade é tridimensional.  A acrescentar a isso, o coeficiente de permeabilidade de um solo na direcção horizontal é superior em relação ao correspondente na direcção vertical, pelo que a expulsão de água que ocorre durante o processo de adensamento dá-se de forma mais rápida, logo o tempo de adensamento em estratos não confinados é menor. Mecânica dos Solos II – UERJ  2.14. Carregamento de estratos não confinados 23 24