GEOTECNIA EXPERIMENTAL - AULA 8

Prévia do material em texto

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