Mecanica dos Solos - Craig-191-200

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O recalque por adensamento é o deslocamento vertical da superfície
correspondente à variação de volume em qualquer estágio do processo de
adensamento. Será verificado o recalque por adensamento, por exemplo, se
uma estrutura (exercendo tensão total adicional) for construída sobre uma
camada de argila saturada ou se o lençol freático for rebaixado
permanentemente a um estrato que esteja sobre uma camada de argila. Por
outro lado, se for feita uma escavação (reduzindo, assim, a tensão total) em
argila saturada, haverá o levantamento hidráulico (heave, ou deslocamento
para cima) do fundo dessa escavação em consequência do inchamento da
argila. Nos casos em que ocorre deformação lateral significativa, haverá um
recalque imediato, devido à deformação do solo em condições não drenadas,
além do recalque por adensamento. A determinação do recalque imediato
será analisada com mais detalhes no Capítulo 8. Este capítulo é dedicado à
previsão do valor e da velocidade do recalque por adensamento em condições
unidimensionais (isto é, em que o solo se deforma apenas na direção
vertical). Isso se estende ao caso em que o solo se deforma lateralmente
(como aquele abaixo de uma fundação) na Seção 8.7.
O progresso do adensamento in situ pode ser monitorado por meio da
instalação de piezômetros a fim de gravar a variação da pressão da água nos
poros ao longo do tempo (isso será descrito no Capítulo 6). A amplitude do
recalque pode ser medida por meio da gravação dos níveis dos pontos de
referência adequados sobre uma estrutura ou no terreno: o nivelamento
preciso é fundamental, utilizando um referencial comparativo que não esteja
sujeito nem mesmo ao mínimo recalque. Devem ser aproveitadas todas as
oportunidades de obter dados dos recalques no campo, uma vez que apenas
por meio de tais medidas é possível avaliar a adequação dos métodos
teóricos.
4.2 O ensaio oedométrico
As características de um solo durante o adensamento ou inchamento
unidimensional podem ser determinadas por meio do ensaio oedométrico. A
Figura 4.1 mostra de forma esquemática a seção transversal de um
oedômetro. O corpo de prova tem a forma de um disco de solo, mantido no
interior de um anel de metal e conservado entre duas pedras porosas. A pedra
porosa superior, que pode se mover no interior do anel com uma pequena
folga, está presa abaixo de uma placa de carregamento superior, pela qual a
pressão pode ser aplicada ao corpo de prova. Todo aparato localiza-se dentro
de uma célula aberta de água, à qual a água dos poros do corpo de prova tem
livre acesso. O anel que confina esse corpo de prova pode ser fixo (preso ao
corpo da célula) ou flutuante (livre para se mover verticalmente); a parte
interna do anel deve ter uma superfície lisa e polida para reduzir o atrito
lateral. O anel confinante impõe uma condição de deformação lateral nula
para o corpo de prova. A compressão deste quando submetido à pressão é
medida em um dial ou por meio de um transdutor que atue sobre a placa de
carregamento.
O procedimento do ensaio foi padronizado pela norma CEN
ISO/TS17892-5 (Europa) e pela ASTM D2435 (Estados Unidos), embora a
BS 1377, Parte 5, que permanece em vigor no Reino Unido, especifique que
o oedômetro deva ser do tipo com anel fixo. A pressão inicial (tensão total)
dependerá do tipo de solo; após isso, uma série de pressões é aplicada ao
corpo de prova, tendo cada uma delas o dobro do valor da pressão anterior.
Normalmente, cada pressão é mantida por um período de 24 h (em casos
excepcionais, pode ser necessário um período de 48 h), fazendo-se leituras do
valor da compressão em intervalos adequados. No final do período do
incremento, quando a pressão excedente da água nos poros estiver
completamente dissipada, a tensão total aplicada se igualará à tensão efetiva
vertical do corpo de prova. Os resultados são apresentados em um gráfico que
mostra a espessura (ou sua variação percentual) do corpo de prova ou o
índice de vazios no final de cada período de incremento em relação à tensão
efetiva correspondente. Esta pode ser colocada em um gráfico de escala
natural ou logarítmica, embora essa última seja adotada normalmente em
consequência da redução na mudança de volume em um determinado
incremento quando a tensão total aumenta. Se desejado, a expansão do corpo
de prova pode ser medida adicionalmente durante reduções sucessivas da
pressão aplicada, a fim de se observar o comportamento da expansão
(inchamento). No entanto, mesmo que não sejam exigidas as características
de inchamento do solo, deve-se medir a expansão do corpo de prova em
consequência da remoção da pressão final.
O Eurocode 7, Parte 2, recomenda que sejam realizados, no mínimo, dois
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Figura 4.1
ensaios em um determinado estrato de solo; esse valor deve ser duplicado se
houver diferença acentuada nos valores das compressibilidades medidas, em
especial, se houver poucas ou nenhuma experiência relacionada com o solo
em questão.
O índice de vazios no final de cada período de incremento pode ser
calculado com base nas leituras de deflexões (deslocamentos), além de ou no
teor de umidade ou no peso seco do corpo de prova ao final do ensaio.
Utilizando como referência o diagrama de fases da Figura 4.2, os dois
métodos de cálculo são os seguintes:
Teor de umidade medido ao final do ensaio = w1
Índice de vazios no final do ensaio = e1 = w1Gs (admitindo que Sr = 100%)
Espessura do corpo de prova no início do ensaio = H0
O oedômetro: (a) equipamento de ensaio, (b) esquema de montagem de
ensaio (imagem cedida pela Impact Test Equipment Ltd.).
Figura 4.2
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Diagrama de fases.
Variação de espessura durante o ensaio = ΔH
Índice de vazios no início do ensaio = e0 = e1 + Δe, em que
Da mesma forma, Δe pode ser calculado até o final de cada período de
incremento.
Peso seco medido no final do ensaio = Ms (isto é, massa de sólidos)
Espessura no final de qualquer período de incremento = H1
Área do corpo de prova = A
Espessura equivalente de sólidos = Hs = Ms/AGsρw
Índice de vazios,
História de tensões
O relacionamento entre o índice de vazios e a tensão efetiva depende da
história de tensões do solo. Se a tensão efetiva atual for a máxima à qual o
solo já esteve submetido, diz-se que a argila está normalmente adensada.
Se, por outro lado, a tensão efetiva, em alguma ocasião do passado, foi maior
do que o valor atual, diz-se que o solo está sobreadensado (ou pré-
adensado). O resultado da divisão do valor máximo da tensão efetiva no
passado pelo valor atual é conhecido como razão de pré-adensamento
(RPA) ou taxa de sobreadensamento (TSA) ― também denominado OCR,
devido ao termo em inglês, overconsolidation ratio, ou, ainda, razão de
sobreadensamento (RSA). Desta forma, um solo normalmente adensado tem
uma taxa de sobreadensamento igual à unidade; um solo sobreadensado, por
sua vez, tem uma taxa de sobreadensamento maior do que a unidade. Esse
valor não pode ser menor do que um.
A maioria dos solos é formada, inicialmente, pela sedimentação das
partículas, que leva ao adensamento gradual sob o próprio peso crescente.
Sob essas condições, as tensões efetivas no interior do solo terão aumento
constante enquanto a deposição acontecer, e, assim, o solo será normalmente
adensado. Os leitos dos oceanos e dos rios são exemplos comuns de solos
que, em geral, estão em um estado normalmente adensado (ou próximo a ele).
Em geral, o sobreadensamento é resultado de fatores geológicos ― por
exemplo, a erosão das camadas superiores de solo ou rocha (devido ao
movimento dos glaciares, ao vento, às ondas ou às correntes marítimas), o
derretimento das camadas de gelo (e, portanto, a redução de tensões) depois
da glaciação ou o aumento permanente do lençol freático. O
sobreadensamento também pode ocorrer devido a processos criados pelo
homem, por exemplo: a demolição de uma estrutura antiga para fazer novo
uso do terreno removerá as tensões totais que estavam aplicadas em suas
fundações, causando o levantamento de fundo (heave), de forma que, para o
novo uso, o solo estará inicialmente sobreadensado.
Característicasde compressibilidade
Gráficos típicos da variação do índice de vazios (e) após o adensamento em
relação à tensão efetiva (σ′) para um solo saturado estão representados na
Figura 4.3, mostrando uma compressão inicial, seguida de um
descarregamento e uma recompressão. Os formatos das curvas estão
relacionados com a história de tensões do solo. O relacionamento e–log σ′
para um solo normalmente adensado é linear (ou próximo disso), sendo
chamado de reta (ou linha) de compressão virgem (unidimensional; RC1D
ou LC1D). Durante a compressão ao longo dessa linha, ocorrem alterações
permanentes (irreversíveis) na estrutura do solo, que não retorna à sua forma
original durante a expansão. Se um solo estiver sobreadensado, seu estado
Figura 4.3
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será representado por um ponto na parte de expansão ou recompressão do
gráfico e–log σ′. As mudanças na estrutura do solo ao longo dessa linha são
quase completamente recuperáveis, conforme mostra a Figura 4.3. A curva de
recompressão se liga, por fim, à reta de compressão virgem: ocorre, então,
uma compressão posterior ao longo da reta virgem. Os gráficos mostram que
um solo em estado sobreadensado será muito menos compressível do que um
em estado normalmente adensado.
Relacionamento índice de vazios–tensão efetiva.
A compressibilidade do solo pode ser quantificada por um dos
coeficientes a seguir.
O coeficiente de compressibilidade volumétrica ou coeficiente de
variação volumétrica (mv), definido como a variação de volume por
unidade de volume por aumento unitário da tensão efetiva (isto é, razão
entre a deformação volumétrica e a tensão aplicada). As unidades de mv
são o inverso da pressão (m2/MN). A variação de volume pode ser
expressa tanto em termos de índice de vazios quanto de espessura do
corpo de prova. Se, para um acréscimo de tensão efetiva, de σ′0 para σ′1, o
índice de vazios diminuir de e0 para e1, então
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O valor de mv para um determinado solo não é constante, depende da
faixa de valores de tensões na qual é calculado, já que esse parâmetro
aparece no denominador das Equações 4.3 e 4.4. A maioria dos ensaios-
padrão especifica um único valor do coeficiente mv calculado para um
incremento de 100 kN/m2 acima da tensão vertical in situ da amostra de
solo na profundidade em que for retirada (também denominada pressão
confinante ou pressão das camadas sobrejacentes), embora o
coeficiente possa ser calculado, caso assim se queira, para qualquer outra
faixa de valores de tensões, selecionada para representar as alterações
esperadas de tensões devidas a uma construção geotécnica em particular.
O módulo confinado (também chamado de módulo elástico
unidimensional ou módulo oedométrico), E′oed, é o inverso de mv (isto é,
tem unidade de tensão ou pressão, MN/m2 = MPa), em que:
O índice de compressão (Cc) é a inclinação da RC1D (ou LC1D), que é a
parte linear do gráfico e–log σ′ e é adimensional. Para dois pontos
quaisquer no trecho linear do gráfico,
O trecho de expansão do gráfico e–log σ′ pode ser comparado a uma linha
reta, cuja inclinação é chamada de índice de expansão Ce (também
chamado de índice de inchamento). O índice de expansão é, muitas vezes,
menor do que o de compressão (conforme ilustra a Figura 4.3).
Deve-se observar que, apesar de Cc e Ce representarem gradientes negativos
no gráfico e–log σ′, seus valores são sempre dados como positivos (isto é,
eles representam o módulo dos gradientes).
Pressão de pré-adensamento
Casagrande (1936) propôs um procedimento empírico para obter, com base
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na curva e–log σ′ para um solo sobreadensado, a tensão efetiva vertical
máxima que atuou neste solo no passado, chamada de pressão de pré-
adensamento (σ′máx). Esse parâmetro pode ser usado para determinar o OCR
in situ para o solo examinado:
na qual σ′v0 é a tensão efetiva vertical in situ da amostra de solo na
profundidade em que foi retirada (pressão confinante efetiva), a qual pode ser
calculada pelos métodos mencionados no Capítulo 3.
A Figura 4.4 mostra uma curva e–log σ′ típica para um corpo de prova de
solo que está inicialmente sobreadensado. A curva inicial (AB) e a transição
subsequente a uma compressão linear (BC) indicam que o solo está passando
por recompressão no oedômetro, já tendo sofrido expansão (inchamento) em
algum estágio de sua história. A expansão do solo in situ pode, por exemplo,
ser consequência do derretimento de camadas de gelo, da erosão das camadas
superiores ou de uma elevação no nível do lençol freático. O procedimento
para estimar a pressão de pré-adensamento consiste nas seguintes etapas:
Construa novamente o trecho em linha reta (BC) da curva;
Determine o ponto (D) de curvatura máxima no trecho de recompressão
(AB) da curva;
Desenhe uma linha horizontal passando por D;
Desenhe a tangente à curva em D e trace a bissetriz do ângulo entre a
tangente e a reta horizontal que passa por D;
A vertical que passa pelo ponto de interseção da bissetriz com CB fornece
o valor aproximado da pressão de pré-adensamento.
Sempre que possível, a pressão de pré-adensamento para uma argila
sobreadensada não deve ser ultrapassada em uma construção. Em geral, a
compressão não será grande se a tensão efetiva vertical permanecer abaixo de
σ′máx, já que o solo sempre estará no intervalo de descarregamento–
recarregamento da curva de compressão. A compressão será grande apenas se
σ′máx for ultrapassado. Esse é o princípio fundamental que rege o pré-
carregamento, que é uma técnica usada para reduzir a compressibilidade dos
solos, a fim de torná-los mais adequados ao uso em fundações; isso será
analisado na Seção 4.11.
Figura 4.4
Figura 4.5
Determinação da tensão de pré-adensamento.
A curva e–logσ´ in situ.
A curva e–log σ′ in situ
Devido aos efeitos de amostragem (Capítulo 6) e preparação do ensaio, o
corpo de prova em um ensaio oedométrico estará ligeiramente deformado
(perturbado). Demonstrou-se que um aumento no grau de perturbação do
corpo de prova resulta em uma pequena redução na inclinação da reta de
compressão virgem. Dessa forma, pode-se esperar que a inclinação da linha
representando a compressão virgem do solo in situ seja ligeiramente maior do
que a da reta virgem obtida em um ensaio de laboratório.
Não se cometerá um erro significativo ao se tomar o índice de vazios in
situ como igual ao índice de vazios (e0) no início do ensaio de laboratório.
Schmertmann (1953) afirmou que podemos esperar que a reta de compressão
virgem de laboratório intercepte a reta de compressão virgem in situ em um
índice de vazios de aproximadamente 0,42 vez o inicial. Dessa forma, a reta
de compressão virgem in situ pode ser admitida como a reta EF da Figura
4.5, na qual as coordenadas de E são log σ′máx e e0, e F é o ponto da reta de
compressão virgem de laboratório com um índice de vazios igual a 0,42e0.
No caso de argilas sobreadensadas, a condição in situ é representada pelo
ponto (G), que tem coordenadas σ′0 e e0, em que σ′máx é a pressão confinante
efetiva atual. A curva de recompressão in situ pode ser aproximada da linha
reta GH, paralela à inclinação média da curva de recompressão de
laboratório.
Exemplo 4.1
As seguintes leituras de recompressão foram obtidas de um ensaio oedométrico com um corpo
de prova de argila saturada (Gs = 2,73):
TABELA F
Pressão (kPa) 0 54 107 214 429 858 1716 3432 0
Leitura no
medidor
5,000 4,747 4,493 4,108 3,449 2,608 1,676 0,737 1,480
depois de 24 h
(mm)
A espessura inicial do corpo de prova era 19,0 mm, e, ao final do ensaio, o teor de umidade
era 19,8%. Faça o gráfico da curva e–log σ′ e determine a pressão de pré-adensamento.
Determine os valores de mv para incrementos de tensão de 100–200 e 1.000–1.500 kPa. Qual é
o valor de Cc para esse último incremento?
	Parte 1 - Desenvolvimento de um modelo mecânico para o solo
	4 Adensamento
	4.2 O ensaio oedométrico