Resistência ao Cisalhamento de Solos

RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL LABORATÓRIO DE GEOTECNIA E PAVIMENTAÇÃO Prof Erinaldo Hilário Cavalcante CONCEITOS Resistência ao cisalhamento de um solo é a máxima tensão cisalhante interna que o solo pode suportar sem romper Parâmetros de resistência ao cisalhamento dos solos Ângulo de atrito interno efetivo é uma medida de resistência ao cisalhamento dos solos decorrente do atrito entre as partículas Coesão c é uma medida de resistência decorrente da ação de capilaridade ou forças cimentantes eou químicas presentes entre as partículas dos solos CONCEITOS Resistência ao cisalhamento de um solo é a máxima tensão cisalhante interna que o solo pode suportar sem romper Atrito representado pelo ângulo de atrito interno do solo Princípios de resistência ao cisalhamento dos solos Coesão c representada pela ligação eletroquímica entre as partículas do solo CONCEITOS Resistência ao cisalhamento de um solo a máxima tensão que o solo pode suportar sem sofrer ruptura ou tensão cisalhante no plano de ruptura no momento da ruptura Parâmetros de resistência ao cisalhamento dos solos Coesão c é uma medida de resistência decorrente da ação de capilaridade ou forças cimentantes eou químicas presentes entre as partículas dos solos Ângulo de atrito interno efetivo é uma medida de resistência ao cisalhamento dos solos decorrente do atrito entre as partículas CONCEITOS Conceito de ruptura é um estado de tensões arbitrário o qual é escolhido na curva tensão x deformação dependendo do critério de ruptura escolhido Ruptura física ou por deformação excessiva A ruptura bem definida e a ruptura convencional Ou argila normalmente adensada O coeficiente de atrito entre o corpo e a superfície definirá a ocorrência do deslizamento do bloco sobre o plano O mesmo acontece com os solos no atrito entre as partículas causado pela rugosidade destas Atrito Esforço Normal Esforço cisalhante tg N máx Temse movimento quando T máx máx é a combinação do esforço normal com o ângulo de atrito Se A área de contato com a superfície plana A T A N e tg Portanto temse O aumento da área de contato entre as partículas devido ao aumento da tensão normal explica a relação proporcional entre e Fatores que afetam o atrito de solos granulares Valores típicos de ângulo de atrito de solos granulares Coesão A parcela de resistência que INdepende das tensões normais aplicadas Origem Cimentação entre as partículas Capilaridade Atração química iônica Atração iônica devido às cargas presentes na superfície dos argilominerais Valores típicos da coesão não drenada das argilas CONCEITOS Coesão aparente das areias é uma propriedade das areias sob baixo teor de umidade Essa coesão desaparece se a areia é saturada ou fica seca A RUPTURA Critério de ruptura expressa matematicamente a envoltória de ruptura de um material Envoltória de ruptura separa as zonas de tensões possíveis da zona de estados de tensões impossíveis de se obter para o solo Critério de MohrCoulomb a ruptura se dá quando a tensão de cisalhamento no plano de ruptura alcança o valor da tensão de cisalhamento de ruptura do material Obs os pontos correspondentes às tensões nos planos de ruptura em cada círculo de Mohr estão sobre a chamada envoltória de resistência ou envoltória de ruptura do solo Envoltória genérica deresistência dos solos Solos coesivofriccionais CRITÉRIO DE RUPTURA DE MOHRCOULOMB tg c a ruptura se dá quando a tensão de cisalhamento no plano de ruptura alcança o valor da tensão de cisalhamento de ruptura do material Resistência ao cisalhamento dos solos EQUAÇÃO FUNDAMENTAL proposta pelo engenheiro francês Coulomb em 1776 tg c OBS 1 Para argilas puras 1 Para areias puras Portanto a coesão é igual à resistência ao cisalhamento para tensão normal nula no plano de ruptura 0 tg c 0 c c Estados possíveis Estados impossíveis Fatores que influenciam na resistência ao cisalhamento dos solos 1 A história de tensões OCR tensão de préadensamento etc 2 A natureza das partículas 3 O índice de vazios ou a compacidade relativa 4 O estado de tensão inicial saturado ou não saturado 5 As características de permeabilidade do solo 5 As condições de drenagem impostas durante o ensaio 6 A tensão superficial 7 As forças gravitacionais Ruptura por cisalhamento caso real Ruptura de um talude na Av Antônio Carlos Magalhães SalvadorBA Parte de uma superfície de ruptura viva ENSAIOS DE CISALHAMENTO ENSAIOS DE CISALHAMENTO NO LABORATÓRIO CISALHAMENTO DIRETO ENSAIO DE COMPRESSÃO NÃO CONFINADA Simples ENSAIO DE COMPRESSÃO TRIAXIAL EM CAMPO ENSAIO DE PALHETA VANE TEST 1 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Força normal Força horizontal Amostra Força normal PRINCÍPIO DO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO EQUIPAMENTO PARA ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO caixa de cisalhamento Kanel 00184 kNdiv ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Mede o deslocamento horizontal Mede a força horizontal Mede o deslocamento vertical Força vertical tensão normal F div x Kanel ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO A N Tensão Normal Tensão Cisalhante A T h Deslocamento horizontal Plano cisalhante imposto RESULTADO TÍPICO DE UM ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO A T A N h desl horizontal RESULTADOS DO ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO VARIAÇÃO DE ALTURA DO CP DESL HORIZ x TENSÃO CISALHANTE CURVA DO ENSAIO COM UM CP DESL HORIZ x TENSÃO CISALHANTE para 1 CP Cisalhamento 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Desl horizontal mm Tensão cisalhante kPa de pico ENVOLTÓRIA DE RESISTÊNCIA 11 22 1 2 3 33 1 2 3 CP 1 50 2 100 3 200 Exemplo de resultados de ensaios de cisalhamento direto com 3 CPs ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Com um mínimo de 3 CPs se obtém a envoltória de resistência do solo CPb CPc CPa c Deslocamento horizontal mm kPa Características do ensaio em geral sob deformação controlada velocidade de ruptura constante não há controle da poropressão pelo controle da velocidade de ruptura podese estabelecer a condição de ensaio lento ou com drenagem o que seria com drenagem ENVOLTÓRIA DE RESISTÊNCIA DE ARGILAS Cisalhamento direto drenado e não drenado em argila Envoltórias de ruptura de argilas obtidas de ensaios de cisalhamento direto drenados ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO Vantagens simplicidade e facilidade na moldagem simplicidade e praticidade na execução do ensaio rapidez principalmeente com solos permeáveis pode ser realizado na condição inundada permite grandes deformações por reversão na caixa cisalhante Desvantagens o plano de ruptura é imposto horizontal estado de tensões é complexo há rotação das tensões durante o cisalhamento tornase muito lento em solos de baixa permeabilidade em geral não se controlam nem se medem as poropressões ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES compressão não confinada 2 ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES É um ensaio de compressão uniaxial sem qualquer confinamento do corpo de prova ou seja aplicase apenas uma tensão vertical crescente sobre a amostra até atingirse a ruptura Anel dinamométrico ou célula de carga Medidor de deslocamento vertical relógio comparador Prensa de compressão simples Corpo de prova ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES Corpo de Prova Carga vertical A F CP antes CP depois ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES COMPRESSÃO SIMPLES CP ROMPIDO ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES Kanel 009533 kgfdiv Conversão de deformação em foça F div x K 138 kPa A F 138 69 kPa 2 138 c Gráfico tensão x deformação ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES 2 rup c Características do ensaio realizado sob tensão deformação controlada velocidade de ruptura constante não há controle da poropressão pelo controle da velocidade de ruptura podese estabelecer a condição de ensaio lento ou com drenagem o que seria com drenagem na ruptura se obtém a tensão vertical máxima realizado sem qualquer confinamento na amostra indicado para medir a coesão não drenada de argilas 0 caso a ruptura não seja caracterizada adorar valor de deformação correspondente à ruptura convencional por exemplo 20 de deformação COMPRESSÃO NÃO CONFINADA SIMPLES CP ANTES E APÓS A RUPTURA Círculo de Mohr de tensões na ruptura 2 u u U q ou C S u u C S Planos cisalhante Na ruptura Início do ensaio kPa kPa c Cu r rup uq 1 Ruptura sob compressão não confinada Simples Modos de ruptura que podem acontecer com o corpo de prova COMPRESSÃO NÃO CONFINADA 2 u U U q s c Ensaio de Compressão Triaxial Ensaio de Compressão Triaxial O mais versátil para determinação da resistência ao cisalhamento dos solos Aplicação de um estado hidrostático de pressão 3 juntamente com o carregamento axial 1 sobre um corpo de prova cilíndrico Ensaio Triaxial Pedras porosas Membrana impermeável pistão para aplicar tensão desviatória Oring pedestal Célula triaxial Pressão na célula Contra pressão Poropressão ou variação de volume água Amostra de solo na ruptura Plano de ruptura Corpo de prova CÉLULA DO APARELHO TRIAXIAL Pedras porosas Planos horizontal e vertical não existem tensões de cisalhamento sobre os mesmos Compressão axial plano horizontal plano principal maior 1 plano vertical plano principal menor 3 Tensão desvio ou desviadora a tensão líquida devida ao carregamento axial 1 3 ETAPAS DO ENSAIO TRIAXIAL 3 1 d 3 1 d Aplicação da pressão confinante 3 Saturação do CP ensaios CU e CD Adensamento do CP ensaios CU e CD Aplicação da tensão desviadora 1 3 Para cada CP obtémse na ruptura a tensão desvio máxima e a deformação específica correspondente a uma pressão confinante mantida constante Com os círculos de Mohr se determina a envoltória de ruptura do solo com base em 3 CPs RESULTADOS DO ENSAIO TRIAXIAL EQUIPAMENTO TRIAXIAL DO GEOPAVUFS Câmara triaxial Painel de controle Deareador Prensa triaxial EQUIPAMENTO TRIAXIAL DO GEOPAVUFS CÉLULA DE COMPRESSÃO ISOTÓPICA DO TRIAXIAL EQUIPAMENTO TRIAXIAL ENSAIO EM CURSO EQUIPAMENTO TRIAXIAL DO GEOPAVUFS VARIANTES DO ENSAIO DE CISALHAMENTO TRIAXIAL Três etapas importantes 1 Saturação do CP atenção na verificação do parâmetro B 2 Consolidação o CP adensa sob a tensão confinante do ensaio 3 Cisalhamento Aumentase a tensão axial até à ruptura a TRIAXIAL CD CONSOLIDADO E DRENADO Lento Consolidated Drained b TRIAXIAL CU CONSOLIDADO E NÃO DRENADO Intermediário Consolidated Undrained c TRIAXIAL UU NÃO CONSOLIDADO E NÃO DRENADO Rápido Unconsolidated Undrained Relação entre os parâmetros de resistência e as tensões principais efetivas 1 3 2 2 tan45 2 tan2 45 3 1 c 2 2 tan45 2 tan2 45 1 3 c Portanto 2 cos 3 1 3 1 sen c ou seja O efeito da poropressão na resistência No ensaio Triaxial UU não adensado e não drenado a geração de poropressão faz desolocar o círculo de Mohr para a direita Parâmetros de Poropressão A e B Y 1 3 u Uma maneira simples de estimar a variação da poropressão durante um carregamento não drenado em termos de variação de tensão total após Skempton 1954 é 3 1 3 A B u Parâmetros A e B de poro pressão de Skempton Parâmetros de Poropressão Para solos saturados B 1 Parâmetro A na ruptura A Para argilas normalmente adensadas A 1 Parâmetro B B f saturação A fOCR Para argilas fortemente préadensadas A é negativo Só lembrando vo a OCR 3 ua B ENSAIO TRIAXIAL DETERMINAÇÃO EXPERIMENTA DE B Parâmetro B Aplicandose um acréscimo de pressão confinante num corpo de prova sem permitir drenagem e medindose a poropressão gerada Se o corpo de prova estiver saturado B 1 SE B 1 CP SATURADO Ensaio triaxial INTERPRETANDO O ENSAIO TRIAXIAL d d tensão desviadora CP1 CP2 CP3 CP ENSAIO DE CISALHAMENTO TRIAXIAL Envoltória de resistência Curvas x d c 3 CP1 3 1rup CP2 3 1rup CP3 3 1rup 3 ENSAIO DE CISALHAMENTO TRIAXIAL 90 2 cos 90 2 2 3 1 3 1 3 1 sen cr cr Tensões na ruptura cr cr Plano de ruptura Amostra de solo na ruptura Plano de ruptura Representação do estado de tensões por um ponto q p h v vh2 vh2 Tensão num ponto Tensão num ponto 2 h v p 2 3 1 q 2 h v q 2 3 1 p X v h ou Diagrama pq Trajetória de Tensões q p Representação da trajetória de tensão no diagrama pq Trajetória de tensões Trajetória de tensão é uma maneira conveniente de representar o carregamento da amostra e sua relação com a envoltória de ruptura Durante carregamento Representação tradicional sistema x Envoltórias de Ruptura q p c c cos tan1 sin ruptura Durante carregamento cisalhamento Trajetória de tensões COMPORTAMENTO DOS SOLOS DE ACORDO COM O TIPO DE ENSAIO TRIAXIAL Fatores que influenciam Velocidade de deformação e condições de drenagem Lento ou rápido Drenado ou não drenado ENSAIO TRIAXIAL CD Consolidado e Drenado Comportamento dos solos rígidos Areia compacta ou argila préadensada ENSAIO TRIAXIAL CU Consolidado e não Drenado aAplicação da pressão confinante c Consolidação do CP abrir a drenagem 3 ua B SE B 1 CP SATURADO b Saturação do CP d Cisalhamento do CP em condição drenada ENSAIO TRIAXIAL CD Variação de colume x deformação axial Resistência de pico ruptura Resistência residual Aumento de V dilatância Areia compacta ou argila préadensada Tensão desviadora x deformação axial H H 100 H H H 3 ENSAIO TRIAXIAL CD Envoltória de tensões efetivas de ensaio triaxial CD com argila préadensada Préadensada Norm adensada tensão de préadensamento do solo ENSAIO TRIAXIAL CD Consolidado e Drenado Comportamento dos solos compressíveis Areia fofa e argila normalmente adensada ENSAIO TRIAXIAL CD Tensão desviadora x deformação axial a e Tensão desviadora x variação de volume b 3 1 d Tensão desviadora A ruptura é convencional Areia fofa ou argila normalmente adensada ENSAIO TRIAXIAL CD Envoltória de tensões efetivas de ensaio CD com areias fofas e argilas normalmente adensadas ENSAIO TRIAXIAL CU Consolidado e não Drenado Comportamento de solos rígidos areia compacta e argila préadensada ENSAIO TRIAXIAL CU Consolidado e não Drenado aAplicação da pressão confinante c Consolidação do CP abrir a drenagem 3 ua B SE B 1 CP SATURADO b Saturação do CP d Cisalhamento do CP em condição não drenada ENSAIO TRIAXIAL CU Consolidado e não Drenado Tensão desviadora x deformação axial e variação da poropressão x deformação axial g para areia compacta ou argila préadensada g Acréscimo da poropressão ENSAIO TRIAXIAL CU Envoltória de ruptura em termos de tensões totais obtida de ensaios triaxiais CU com amostras de argila préadensada tensão de préadensamento do solo ENSAIO TRIAXIAL CU Consolidado e não Drenado Comportamento de solos compressíveis areia fofa e argila normalmente adensada ENSAIO TRIAXIAL CU Consolidado e não Drenado aAplicação da pressão confinante c Consolidação do CP abrir a drenagem 3 ua B SE B 1 CP SATURADO b Saturação do CP d Cisalhamento do CP em condição não drenada ENSAIO TRIAXIAL CU Consolidado e não Drenado Tensão desviadora x deformação axial b e variação da poropressão x deformação axial b para areia fofa ou argila normalmente adensada Com a deformação crescente aumenta o valor da tensão desviadora b e da poropressão c H H 100 H H H 3 b aumento da tensão desviadora x deformação axial c Aumento da poropressão x deformação axial ENSAIO TRIAXIAL CU Envoltórias de ruptura em termos de tensões totais e efetivas de ensaios triaxiais CU com amostras de argila normalmente adensada ENSAIOS TRIAXIAIS CD e CU Comparação entre argilas normalmente e préadensadas ENSAIOS TRIAXIAIS EM AREIAS Fofas Compactas ENSAIO TRIAXIAL UU Não Consolidado e não Drenado Comportamento de solos compressíveis areia fofa e argila normalmente adensada ENSAIO TRIAXIAL UU Não Consolidado e não Drenado aAplicação da pressão confinante b Cisalhamento do CP em condição não drenada Não há preocupação com a saturação nem com adensamento e nem com a consolidação Parâmetros medidos apenas em termos de tensões totais simulando construção rápida ENSAIO TRIAXIAL UU Círculos de Mohr e envoltória de ruptura em termos de tensão total de ensaios triaxiais UU NÃO HÁ VARIAÇÃO DE VOLUME DO CP ENSAIO TRIAXIAL UU ENSAIO TRIAXIAL UU COMPARAÇÃO ENTRE OS ENSAIOS COMPRESSÃO SIMPLES E UU Envoltórias de ruptura de ensaios triaxiais CU e UU com amostras de argila saturada Círculo 1 ensaio de COMPRESSÃO SIMPLES Círculos 2 e 3 círculos de ensaios triaxiais UU com o mesmo solo do círculo 1 Compresão simples Compresão triaxial UU Compresão triaxial UU u DETERMINAÇÃO DE Su IN SITU ENSAIO DE VANE TEST PALHETA IN SITU NBR 10905 1989 ENSAIO DE PALHETA vane test DETERMINAÇÃO DE Su Cu EM CAMPO Equipamento antigo Sistema manual mecânico Equipamento Atual Acionamento eletromecânico Equipamento Atual Equipamento Atual Equipamento Atual HISTÓRICO Desenvolvido na Suécia em 1919 No Brasil é executado desde 1949 Em 1989 foi publicada a norma brasileira da ABNT ABNTAssociação Brasileira de Normas Técnicas CDU 624131378 Solo Ensaios de palheta in situ OUT1989 MB3122 ENSAIO DE PALHETA vane test DETERMINAÇÃO DE Su Cu EM CAMPO k T Cu Su 6 2 2 D H D k H D D3 T T π S πD S u u 0 86 7 6 3 onde D 65mm H 130mm HD 2 ENSAIO DE PALHETA vane test Resultado típico de um ensaio k T Cu Su 6 2 2 D H D k D3 T T π S πD S u u 0 86 7 6 3 onde Rotação º Amolgada Indeformada Consistência da argila Su kNm2 Muito mole 20 Mole 20 40 Média 40 75 Rígida 75 150 Muito rígida 150 300 Dura 300 Classificação das argilas em termos de consistência com base no ensaio de palheta RESULTADOS DE ENSAIOS DE PALHETA IN SITU VARIAÇÃO DE Su COM A PROFUNDIDADE ORTIGÃO COLLET 1986 Argilas moles do Rio de Janeiro ÍNDICE DE SENSITIVIDADE DAS ARGILAS Define o quanto uma argila perde resistência após o amolgamento É a relação entre a resistência da argila na condição indeformada e na condição amolgada ou seja lg ada amo u a indeformad u S S S I Classificação das argilas segundo Skempton quanto ao índice de sensitividade Classificação Ensaio de palheta de laboratório Fonte Gauer e Schnaid 2016 Palhetas usadas no ensaio de laboratório 40 mm 255 mm 202 mm Fonte Gauer e Schnaid 2016 Execução do ensaio de palheta em laboratório Fonte Gauer e Schnaid 2016 Amostra ensaiada no equipamento de palheta em laboratório Fonte Gauer e Schnaid 2016 FIM