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Disciplina: Geotecnia Experimental (CIV-2553) Prof. Vitor Nascimento Aguiar aguiar@puc-rio.br Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Curso de Pós-graduação em Engenharia Civil Aula 8: The Sensitivity of clays – Skempton and Northey (1952) 11 22 1- Introdução Muitas argilas, exceto aquelas que foram muito sobreadensadas, perdem parte de sua resistência quando remoldadas (completamente amolgadas). Curvas tensão-deformação da argila do estuário do rio Tamisa no estado indeformado (“undisturbed”) e no estado remoldado (“remoulded”). Mesmo teor de umidade nos dois estados. Resistência não drenada no estado indeformado (Su ind): 36,6 kPa 4,8 kPa Resistência não drenada no estado remoldado (Su r): 33 Terzaghi (1944) definiu sensibilidade (St) das argilas como: No caso da argila do estuário do rio Tamisa: A perda de resistência relativa em termos percentuais por remoldagem é definida como: No caso da argila do estuário do rio Tamisa: A perda de resistência por remoldagem é definida por Skempton and Northey (1952) como: 44 Classificação quanto à Sensibilidade: 1) Argilas muito sobreadensadas são insensíveis: Ex: argila de Londres. 2) Existem poucos exemplos de argilas de baixa sensibilidade (St = 1 a 2). 3) Sensibilidades da ordem de 2 a 4 é muito comum entre as argilas normalmente adensadas. 4) Sensibilidades da ordem de 4 a 8 também são frequentemente encontradas. De acordo com Skempton and Northey (1952): 55 Exemplos da importância da sensibilidade das argilas na prática da engenharia: 1) O amolgamento decorrente do processo de amostragem é tanto maior quanto maior a sensibilidade das argilas. A amostragem deve ser tanto mais cuidadosa quanto maior a sensibilidade da argila. 2) O efeito do amolgamento devido à cravação de estacas é tanto maior quanto maior a sensibilidade da argila. Argilas extra-sensíveis são muitos comuns em partes da Escandinávia e no Canadá. Uma categoria especial de argilas extra-sensíveis é formada pelas chamadas “quick-clays”, que ficam tão moles quando remoldadas que se aparentam praticamente fluidas. 66 Skempton and Northey (1952) levantam as seguintes questões científicas acerca da sensibilidade: 1) Como uma argila pode perder 90%, ou até mesmo 99%, de sua resistência ao cisalhamento não drenada (Su) ao passar do estado indeformado para o estado remoldado sem nenhuma alteração no teor de umidade (ou porosidade ou índice de vazios)? 2) Por que algumas argilas não são afetadas pela remoldagem? 3) Os fatores responsáveis pela sensibilidade média são os mesmos que os responsáveis pela alta sensibilidade, ou existem outros fatores envolvidos nas argilas extra-sensíveis? 4) A mineralogia das argilas é um desses fatores? 6) As condições de deposição e a subsequente história geológica exercem uma influência importante? O artigo é uma tentativa de responder algumas dessas questões. 5) O fenômeno pode ser explicado em termos de tixotropia? 77 Skempton and Northey (1952) apontam quatro fatores possíveis: (a) Mineralogia: especialmente a da “fração argila” (deq< 0,002mm); (b) Distribuição granulométrica; (c) Tixotropia: processo de “amolecimento” (perda de resistência) causado pela remoldagem, seguida por uma recuperação da resistência ao longo do tempo. Processo reversível, e que exclui quaisquer alterações permanentes, tais como, alteração na composição química ou na concentração de eletrólitos na água dos vazios (d) Estabilidade micro-estrutural: existência, em uma argila indeformada, de um arranjo estrutural das partículas (micro-estrutura) que é demolido pela remoldagem. Processo irreversível. Um quinto fator seria o processo de lixiviação das argilas (diminuição da concentração de sais nas águas dos poros). Segundo Skempton and Northey (1952), esse quinto fator estaria relacionado com a estabilidade micro-estrutural. 88 (a) Mineralogia e (b) Distribuição granulométrica Rosenquist (1946): Não existem grandes diferenças em termos de mineralogia e de distribuição granulométrica entre as “quick-clays” e as argilas de sensibilidade média. Skempton and Northey (1952): Nem a mineralogia e nem a distribuição granulométrica teria um significado importante no problema da sensibilidade. Argilas com Su ind da mesma ordem de grandeza mas com sensibilidades bem distintas. Argila (1): pouca montmorilonita (baixa atividade), baixa fração argila e sensibilidade de 150. Argila (7): muita montmorilonita (alta atividade), alta fração argila e sensibilidade de 5.3. Argilas (2) e (4): mesma mineralogia, atividades similares, Su similares, porém sensibilidades bem diferentes. 99 Skempton (1953) – “The Colloidal “Activity of Clays” Relação entre índice de plasticidade (IP) e fração argila para diversas argilas Classificação: Argilas inativas: atividade < 0,75 Argilas normais: atividade entre 0,75 a 1,25 Argilas ativas: atividade >1,25 Valores de atividade para diversos minerais 1010 (c) Tixotropia Material puramente (totalmente) tixotrópico. Em seu estado indeformado, quando cisalhado com uma determinada velocidade de deformação cisalhante: Quando cisalhado com a mesma velocidade de deformação cisalhante, imediatamente após ser remoldado (sem alteração no índice de vazios): Se for deixado sob condições externas constantes e sem mudança no índice de vazios, após um certo tempo t, ao ser cisalhado com a mesma velocidade de deformação cisalhante: 1111 Substância fluida tixotrópica Para a velocidade de deformação cisalhante nula: Tanto na condição indeformada quanto na condição remoldada: Su = 0 O coeficiente angular da reta é o coeficiente de viscosidade (h). Fluido newtoniano: a curva resistência ao cisalhamento x velocidade de deformação cisalhante é uma reta que passa pela origem. Substância plástica-fluida tixotrópica Na condição indeformada: Su > 0 (substância plástica) Para velocidade de deformação cisalhante nula: Na condição remoldada: Su = 0 (substância fluida) Substância plástica tixotrópica Para a velocidade de deformação cisalhante nula: Tanto na condição indeformada quanto na condição amolgada: Su > 0 Argilas: mesmo na condição remoldada, possui resistência ao cisalhamento sob velocidade de deformação cisalhante nula. 1212 As argilas comportam-se como substâncias plásticas. Argila de Londres na condição remoldada com IL=1,00 e IL=1,26 1313 Índice de liquidez (IL): Argila de Londres: baixa componente viscosa da resistência ao cisalhamento. Maior IL, maior teor de umidade, maior índice de vazios, menor resistência ao cisalhamento. As argilas comportam-se como materiais plásticos (dependentes da velocidade de deformação cisalhante) ao longo de todo intervalo de índice de liquidez encontrados na prática, tanto na condição indeformada quanto na condição remoldada. 1414 Material parcialmente tixotrópico. As argilas naturais não são puramente (totalmente) tixotrópicas. A tixotropia sozinha não é suficiente para explicar o fenômeno da sensibilidade. Parte da perda de resistência devido à remoldagem não é de natureza tixotrópica. 1515 Skempton & Northey (1952) definem: Sensibilidade adquirida (ASt) após um período t subsequente à remoldagem: Recuperação de resistência ao cisalhamento devido à tixotropia após um período t: Recuperação relativa de resistência devido à tixotropia em termos percentuais após um período t: Sensibilidade natural: 1616 Avaliação do ganho de resistência devido à tixotropia mediante ensaios de palheta de laboratório em argilas naturais remoldadas. Argila misturada com água no laboratório no teor de umidade igual ao limite de liquidez (LL) e armazenada ao longo do tempo sem permitir perda de água e variação de volume. Em diversos instantes, uma amostra era removida e ensaiada. Pouca recuperação de resistência após as primeiras horas. Recuperação de resistência daordem de 10% a 40% após um dia. Estabilização da recuperação da resistência após cerca de um ano. 1717 Avaliação da ganho de resistência devido à tixotropia mediante ensaios de palheta de laboratório em bentonita, ilita e caulim. 1818 Efeito do teor de umidade na recuperação de resistência devido à tixotropia após 100 dias de remoldagem. A recuperação de resistência ao cisalhamento devido à tixotropia é menor quanto menor o teor de umidade (w), para valores abaixo do limite de liquidez (LL). Um resultado sugere que a recuperação de resistência ao cisalhamento devido à tixotropia pode ser zero para um teor de umidade (w) próximo ao índice de plasticidade (IP). Era de se esperar que a recuperação de resistência ao cisalhamento devido à tixotropia fosse maior quanto maior o teor de umidade (w) acima do limite de liquidez (LL). Os resultados não confirmaram esta expectativa. 1919 Percentual de recuperação de resistência devido à tixotropia em relação à perda de resistência devido à remoldagem, em argilas naturais extra-sensíveis Pouca recuperação de resistência em relação à perda de resistência Argilas naturais extra-sensíveis depositadas há 5000 -10000 anos. Skempton and Northey (1952): ocorre ganho de resistência devido à tixotropia ao longo dos anos de deposição. A sensibilidade não deve ser devida exclusivamente à tixotropia. 2020 Percentual de recuperação de resistência devido à tixotropia em relação à perda de resistência devido à remoldagem, em argilas naturais de sensibilidade média Argilas naturais de sensibilidade média depositadas há 5000 -10000 anos. Tendência de recuperação total de resistência em relação à perda A sensibilidade pode ser devida exclusivamente à tixotropia. A diferença de sensibilidade de uma argila extra-sensível para uma argila de sensibilidade média é devida a grande diferença em Sur , e não em Su ind. 2121 (d) Estabilidade micro-estrutural Skempton and Northey (1952) estuda a influência na sensibilidade da estabilidade estrutural do arranjo entre as partículas. Sabe-se que, para uma dada argila: Para um dado OCR fixado E que tal razão depende do limite de liquidez (LL) ou do índice de plasticidade (IP), de modo que: Quanto maior o IP, maior a razão Para todas as argilas normalmente adensadas estudadas: Depende da velocidade de deformação cisalhante Para duas argilas normalmente adensadas submetidas a mesma tensão vertical efetiva (s’v) seus valores de Su ind são da mesma ordem de grandeza. 2222 De fato, argilas extra-sensíveis apresentam valores de Sur extremamente baixos. Resistência ao cisalhamento na condição remoldada (Sur) x índice de liquidez (IL). Resultados experimentais sugerem que Sur de uma dada argila depende principalmente do índice de liquidez (IL). Mesmo entre várias argilas, a ordem de magnitude de Sur depende principalmente do índice de liquidez (IL). Fixando a velocidade de deformação cisalhante 2323 Então, para argilas N.A submetidas ao mesmo s’v , o Sur de uma argila extra-sensível é muito menor do que o de uma argila de baixa ou média sensibilidade. Logo, o IL da argila extra-sensível deve ser muito superior ao IL da argila de baixa a média sensibilidade Após serem normalmente adensadas sob o mesmo s’v, a argila extra-sensível encontra-se com um teor de umidade ainda superior ao LL, enquanto que a argila de baixa sensibilidade encontra-se com um teor de umidade mais próximo do LP. A maior sensibilidade de uma em relação a outra é uma consequência direta disso. 2424 Curva de campo x curva de laboratório para uma dada argila: Quanto maior a sensibilidade, maior o afastamento entre as curvas de campo e de laboratório. Nas curvas de campo em diferentes argilas: Para o mesmo s’v, quanto maior a sensibilidade maior o índice de liquidez. Curvas tensão vertical efetiva (s’v) de adensamento x índice de liquidez (IL), de campo e de ensaios de adensamento edométrico feitos em amostras remoldadas. Alta sensibilidade implica em resistências remoldadas muito baixas devido a destruição de uma estrutura metaestável entre as partículas existente no estado indeformado. 2525 Curva de campo x curva de laboratório para uma dada argila: Para o mesmo IL, quanto maior a sensibilidade, mais a curva de laboratório obtida da amostra remoldada está a esquerda da curva de campo. Para explicar a sensibilidade é necessário levar em conta a estrutura metaestável do arranjo entre as partículas. 2626 Experimentos de lixiviação em argilas • Existem várias causas para a formação da estrutura metaestável em argilas. • Uma dessas causas é redução do teor de sal na água dos vazios pelo processo de lixiviação (lavagem) com água doce. Primeiros experimentos (Skempton and Northey, 1952): • Avaliar a influência da redução da concentração de sais na água dos vazios por lixiviação na sensibilidade (St). • Três corpos de prova foram talhados de uma amostra indeformada da argila de Shellhaven. • No primeiro corpo de prova foram feitas determinações de: resistência ao cisalhamento, sensibilidade, teor de umidade, limites de consistência e teor de sal na água dos vazios. 2727 • O segundo corpo de prova foi armazenado em um cilindro sem permitir secagem e variação de volume. • O segundo corpo de prova foi então submetido à lixiviação por percolação de água destilada por um período de 14 dias. • O terceiro corpo de prova foi armazenado em um cilindro sem permitir secagem e variação de volume, mas não foi submetido à lixiviação. • Após 14 dias, o segundo e o terceiro corpos de prova foram submetidos a ensaios para determinação de suas propriedades. 2828 Os resultados mostram que: • Meramente armazenar a amostra sem variação de volume e sem secagem não altera as propriedades da argila. • Os efeitos da lixiviação são: redução do teor de sal, redução do limite de liquidez e redução da resistência ao cisalhamento remoldada (Sur), sem nenhuma redução no teor de umidade (ou índice de vazios) e da resistência ao cisalhamento indeformada (Suind). Importante: Redução do limite de liquidez sem alteração no teor de umidade. Ou seja, aumento do índice de liquidez. Experiências realizadas sem tensão de adensamento aplicada. 2929 Segundos experimentos (Skempton and Northey, 1952): • Argila de Shellhaven (amostra A) foi misturada com água destilada a um teor de umidade de 172% (IL = 2,15), e colocada em dois oedômetros grandes sob baixa tensão vertical efetiva. • As amostras foram adensadas em cargas incrementais durante um mês até atingir o equilíbrio sob a tensão vertical efetiva de s’v = 4 kPa. • Após o adensamento, uma amostra foi lavada (lixiviada) com água destilada por 21 um dias sob s’v = 3,8 kPa (0,55 lb/in2). • A outra amostra foi deixada por 21 dias sob s’v = 3,8 kPa (0,55 lb/in2), mas sem lixiviação. • As amostras foram retiradas dos oedômetros e suas resistências ao cisalhamento nos estados “indeformado” e remoldado foram determinadas em ensaios de palheta de laboratório. As demais propriedades (teor de umidade, limites de consistência) também foram determinadas. 3030 • Apesar da pequena redução na concentração de sais (de 12g/l para 11g/l), a sensibilidade aumentou de 2,7 para 4,2 sem alteração no teor de umidade. • O experimento foi repetido, adensando as amostras de s’v = 3,8 kPa (0,55 lb/in2) até cerca de 31,1 kPa (4,5 lb/in2). • Uma amostra foi continuamente lixiviada durante o adensamento enquanto a outra não. • Os resultados foram os mesmos do experimento anterior: a lixiviação aumenta a sensibilidade e o índice de liquidez, mas não altera o teor de umidade e a resistência ao cisalhamento no estado indeformado. A lixiviação não foi satisfatória devido a falhas na metodologia. 3131 Os experimentos foram repetidos na argila de Horten, melhorando procedimento. • A lixiviação causa uma substancial redução do teor de sal da água dos vazios, e a sensibilidade aumentou de1,1 para 3,7. • Duas amostras adensadas até s’v = 8,9 kPa (1,29 lb/in2) em dois oedômetros. • Após o adensamento, uma foi lixiviada por 24 dias e a outra não. • O aumento da sensibilidade foi devido inteiramente à redução de Sur, com o Suind inalterado. • A redução de Sur , por sua vez, foi consequência do aumento do índice de liquidez, que ocorreu via diminuição do limite de liquidez, sem redução significativa do teor de umidade. 3232 Em suma, os efeitos da redução da concentração de sais na água dos vazios foram: 1) Redução do limite de liquidez (LL) e da resistência ao cisalhamento no estado remoldado (Sur); 2) Não alteração do teor de umidade (w) e da resistência ao cisalhamento no estado indeformado (Sind); 3) Consequentemente, aumento do índice de liquidez (IL) e da sensibilidade (St). 3333 Estimativa do ganho de sensibilidade devido à lixiviação (Skempton and Northey, 1952) Os autores apresentam cálculos para a estimativa. • A sensibilidade no momento da deposição da argila seria cerca de 5% para ambas as argilas. • Com a progressiva diminuição do teor de sal, a sensibilidade aumenta. • Após a lixiviação completa (teor de sal igual a 0), a sensibilidade seria de 80 para a argila de Horten e 60 para a argila de Shellhaven. Conclusão: Sensibilidades muito altas podem ser resultantes da redução do teor de sal na água dos vazios de argilas de origem marinha. 3434 A estrutura metaestável causada por lixiviação (Skempton and Northey, 1952) Estado original, após a deposição e adensamento, as partículas formam uma estrutura aberta com camadas de água sólida (“rigid”) e viscosa (“bound”) envolvendo as partículas de argila. (a) Antes da lixiviação As camadas de água adsorvida viscosa possuem grande espessura. (b) Após a lixiviação O arranjo entre as partículas permaneceriam inalterados. Assim, o teor de umidade e a resistência ao cisalhamento indeformada também não seriam alterados. Com a remoldagem, os contatos através da água sólida (Terzaghi, 1941) seriam desfeitos, reduzindo a resistência ao cisalhamento. Com a lixiviação, postula-se que a redução do teor de sal reduz a espessura da camada de água adsorvida viscosa. Com a quebra dos contatos sólidos devido a remoldagem, a proporção de água livre é maior (a proporção de água viscosa é menor) e a resistência ao cisalhamento remoldada seria menor. O limite liquidez seria menor (devido a menor espessura da camada adsorvida viscosa) e, com isso, como o teor de umidade não se alteraria, o índice de liquidez seria maior. 3535 Evidências de campo acerca da sensibilidade e lixiviação • As argilas marinhas da Noruega e de Horten e as argilas estuarinas de Shellhaven, que sofreram lixiviação, são sensíveis ou extra-sensíveis devido a redução do teor de sal. • A sensibilidade de argilas marinhas ou estuarinas que não sofreram lixiviação e de argilas lacustres deve ser devida à tixotropia e/ou outros fatores que não sejam a redução do teor de sal. As evidências de campo apontam para as seguintes conclusões: 1) Argilas sensíveis e extra-sensíveis podem resultar da lixiviação parcial ou completa de argilas marinhas e estuarinas, apesar de não ser a única causa. 2) Das argilas investigadas, aquelas que não sofreram lixiviação, exibem somente uma sensibilidade média, da ordem desenvolvida pela tixotropia. 3636 Skempton (1953) – “The Colloidal “Activity of Clays” As argilas inativas (valores de LL e IP baixos) parecem possuir uma ou mais das seguintes características: a) Fração argila composta predominantemente por caulinita (argilo-mineral de baixa atividade); b) Deposição em água doce; c) Deposição em água salgada, mas posteriormente lixiviada por percolação de água doce. 3737 Outras possíveis causas: • Casagrande (1932) e Terzaghi (1941, 1947) sugeriram que o arranjo estrutural das partículas de argila formado pelo processo muito lento de deposição é mais “aberto” e metaestável do que aquele desenvolvido em um processo de adensamento relativamente muito rápido aplicado em laboratório. • Algumas argilas podem desenvolver sua estrutura metaestável sem ter sido lixiviada. Esta pode ser decorrente simplesmente do processo de deposição (especulação). Insensibilidade de argilas fortemente sobreadensadas • A argila de Londres foi, durante a sua formação, fortemente sobreadensada. • Em função disso, no estado indeformado e no estado remoldado deve apresentar praticamente a mesma estrutura e, consequentemente: Fortemente sobreadensada implicaria em ausência de metaestrutura. Sob elevadas tensões, todas as argilas devem perder a metaestrutura. Skempton and Northey (1952): Conclusões: 1) Resultados experimentais mostram que a tixotropia pode ser a responsável pela baixa a média sensibilidade, mas parece ser incapaz de provocar alta sensibilidade; 2) Evidências de laboratório e de campo mostram que a alta sensibilidade pode ser desenvolvida em argilas marinhas e estuarinas nas quais o teor de sal foi reduzido por lixiviação; 3) Das poucas argilas investigadas, aquelas que não sofreram lixiviação possuem sensibilidade média, cuja magnitude pode ser atribuída somente à tixotropia; 4) Não existe razão para assumir que a lixiviação é a única causa de alta sensibilidade, e mais pesquisas serão necessárias para o completo entendimento do fenômeno; 3838 5) Argilas fortemente sobreadensadas, com teores de umidade próximo do limite de plasticidade (LP) são insensíveis provavelmente por duas razões: (a) a tixotropia é desprezível para tal teor de umidade próximo do LP, (b) qualquer microestrutura metaestável que possa ter existido nas estágios iniciais de formação da argila em sua história geológica quando ainda submetida a baixas tensões efetivas, foi quebrada pela elevada carga e deformação a que foi submetida. 3939