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 6: Visão geral de ensaios de laboratório 11 22Importância dos ensaios de laboratório Características peculiares dos solos: (a) Meio particulado trifásico (sólidos, água e ar) (b) Heterogêneo (c) Anisotrópico (d) Comportamento tensão-deformação fortemente não linear (e) Elasto-plástico ou visco-elasto-plástico (f) Comportamento drenado, não drenado ou parcialmente drenado, a depender da compatibilidade entre a velocidade de aplicação do carregamento e da capacidade do solo de dissipar o excesso de poro-pressão gerado pelas deformações cisalhantes. (g) Propriedades mecânicas (resistência e comportamento tesão-deformação) que dependem da história de tensões (razão de sobreadensamento, OCR), nível de tensões e índice de vazios. (h) Propriedades mecânicas reológicas, ou seja, dependentes do tempo e da velocidade de deformação (principalmente em solos argilosos). 33 Ensaios de laboratório em amostras de solo Desempenham um papel importante tanto em: Materiais fabricados pela natureza e não pelo homem Depósitos de solos diferentes nunca apresentam propriedades exatamente iguais. Nenhum depósito é homogêneo Pelo menos o índice de vazios varia com a profundidade Pesquisas em mecânica dos solosPrática da engenharia geotécnica - Desenvolvimento de técnicas de ensaios para a determinação de parâmetros mecânicos com maior representatividade e acurácia. - Elaboração de modelos de comportamento mais representativos. - Classificação dos solos em grupos diferenciados por seus comportamentos mecânicos distintos. - Determinação de índices físicos propriedades mecânicas para aplicação em projetos. 44 Os ensaios de laboratório podem ser divididos em duas principais categorias: Ensaios de caracterização e classificação Determinação de índices físicos e indicação do tipo geral do solo com enquadramento em categorias (ou grupos) de engenharia. Ensaios mecânicos Determinação de propriedades mecânicas: permeabilidade, deformabilidade e resistência Ensaios de caracterização Os mais comuns são: Utilizados para determinar os índices físicos dos solos, caracterizá-los e classificá-los em grupos de modo a se ter um ideia preliminar de seu comportamento mecânico. 2) Determinação de peso específico natural (gn) 1) Determinação de teor de umidade natural (wn) 3) Determinação de peso específico dos grãos (gs) Índices calculados: - Porosidade (n) - Índice de vazios (e) - Grau de saturação (S) - Peso específico saturado (gsat) - Peso específico aparente seco (gd) 554) Análise granulométrica (por peneiramento e sedimentação), para a determinação da curva de distribuição granulométrica. 5) Determinação dos limites de consistência: limite de liquidez (LL), limite de plasticidade (LP), para o caso das argilas, permitindo o cálculo do: 6) Determinação de índice de vazios máximo e índice de vazios mínimo, para o caso das areias, permitindo o cálculo: Índice de plasticidade (IP): Índice de liquidez (IL): Índice de consistência (IC): Atividade das argilas (A): Compacidade relativa (CR): á á í 66 Existem muitas propostas que permitem a obtenção de propriedades mecânicas dos solos a partir dos índices físicos, tais como: Atenção: tais correlações não devem substituir os ensaios mecânicos. 7) Determinação de teor de matéria orgânica 8) Análise mineralógica - Índice de compressão (Cc) da argila a partir do limite de liquidez (LL); - Ângulo de atrito efetivo interno (f’) das areias a partir da compacidade relativa (CR), do formato dos grãos (angulares ou arredondados) e da graduação (mal graduado ou bem graduado). - Resistência não drenada (Su) da argila a partir do índice de plasticidade (IP); - Coeficiente de permeabilidade (k) das areias a partir do índice de vazios (e); Ensaios de mecânicos 1) Ensaios de compactação, para a obtenção da curva de compactação. 2) Ensaios de permeabilidade, para a obtenção de coeficiente de permeabilidade (k) Utilizados para determinação direta das propriedades mecânicas dos solos: coeficiente de permeabilidade e parâmetros de resistência e de deformabilidade. 77 3) Ensaios de resistência e deformabilidade. Os três mais comuns são: (a) Adensamento edométrico - Determinação dos parâmetros a partir da curva de compressibilidade: índice de recompressão (Cr), índice de compressão virgem (Cc), índice de expansão (Ce), tensão de sobreadensasamento (s’p), razão de sobreadensamento (OCR), módulo edométrico (Eoed) e coeficiente de compressibilidade volumétrica (mv); - Determinação do coeficiente de adensamento (cv) e do coeficiente de permeabilidade (k). 88 (c) Triaxial (axissimétrico) Determinação de parâmetros de resistência efetivos (f’ e c’) e totais (f e c) e resistência não drenada (Su). Parâmetros de deformabilidade drenados (E’, n’ e G) e não drenados (Eu). Ainda podem ser citados: (f) Triaxial verdadeiro (d) Cisalhamento simples (“simple shear”) (e) Cisalhamento por torção (“ring shear”) (h) Palheta de laboratório Além de muitos outros (b) Cisalhamento direto Determinação de parâmetros de resistência, em geral drenados, a saber: ângulo de atrito efetivo (f’) e coesão efetiva ou intercepto de coesão (c’). (g) Triaxial sob deformação plana (“plan strain”) 99Vantagens dos ensaios de laboratório em relação aos ensaios de campo segundo Head, K.H. (1980) (1) Total controle das condições de ensaio, incluindo as condições de contorno. (2) Maior acurácia nas medidas efetuadas. (3) Controle pode ser exercido sobre a escolha do material (porção das amostra) a ser ensaiada. (4) Um ensaio pode ser executado em condições semelhantes, ou diferentes das que prevalecem in situ, conforme apropriado. (6) Os ensaios podem ser realizados em amostras reconstituídas, ou preparadas de outras formas (com outras características); (5) Alterações nas condições de ensaio podem ser simuladas, assim como as condições que podem ocorrer durante ou após a conclusão da construção. 1010Panorama geral das condições de contorno dos ensaios mecânicos de laboratório segundo Atkinson, J.H. & Bransby, P.L. (1978) Um corpo de prova é colocado em um equipamento, o estado de tensões ou o estado de deformações é modificado ao longo do tempo e observa-se o estado de tensões, o estado de deformações e a poro-pressão gerada, em diversos instantes ao longo do ensaio. No caso mais geral possível, um equipamento de ensaio de laboratório é capaz de aplicar tensões (ou impor deformações) no corpo de prova, em três pares de faces opostas. As tensões podem ser aplicadas (ou as deformações podem ser impostas) ao corpo de prova por placas rígidas ou membranas flexíveis. 1111 Placas rígidas: São geralmente planas. Forças normais ou tangenciais são aplicadas nas placas e transferidas ao corpo de prova. Parte-se da premissa de que as tensões de contato são uniformes ao longo da área de contato entre a placa e a face do c.p., calculando-se a tensão transmitida dividindo a força aplicada pela área de contato. Se as superfícies das placas forem rugosas, poderão ser desenvolvidas tensões cisalhantes entre as placas e as superfícies do c.p. em contato com as placas. Se as superfícies das placas forem perfeitamente polidas, não são desenvolvidas tensões cisalhantes entre as placas e as superfícies do c.p. em contato com as placas. As tensões normais aplicadas serão tensões principais e os planos no c.p. paralelos aos planos das placas serão planos principais de tensões. 1212 Membranas flexíveis: Consiste em um diafragma fino (geralmente borracha) com um fluido agindo sobre ele. Se o diafragma for fino e flexível, não serão transferidas tensões cisalhantes ao solo. Planos do corpo de prova paralelos às faces da membrana serãoplanos principais, e pressão do fluido aplicado à membrana será uma tensão principal no corpo de prova. Em placas rígidas, as deformações normais e distorcionais do corpo de prova podem ser determinadas medindo-se o movimento das placas. No que tange às deformações: Em membranas flexíveis, é complicado realizar medidas direta de deformações, e não se pode garantir que as deformações do corpo de prova serão uniformes ao longo da membrana. 1313Controle do carregamento Existem duas possibilidades quanto a aplicação de carregamento: Varia-se o estado de tensões adicionando cargas ou pressões ao corpo de prova e observa-se a variação resultante no estado de deformações. (a) Carregamento sob tensão controlada (b) Carregamento sob deformação controlada Varia-se o estado de deformações impondo uma velocidade constante às placas de carregamento e observa-se a variação resultante no estado de tensões. Controle da poro-pressão e da drenagem Durante o ensaio, controla-se a drenagem do corpo de prova, ou a poro-pressão ou ambos. Controlando tanto a tensão total quanto a poro-pressão, controla-se o estado de tensões efetivas no corpo de prova. Estando o solo saturado, assumindo-se que tanto os grãos sólidos quanto a água são incompressíveis, medindo-se quantidade de água que entra ou sai do corpo de prova, mede-se a variação de volume do corpo de prova. 1414Para controlar a drenagem durante um ensaio: - O corpo de prova deve estar isolado por uma membrana impermeável; - O corpo de prova deve estar conectado a um transdutor de pressão de água para medir a poro-pressão; - Deve-se ter uma válvula para abertura ou fechamento da drenagem conectada a um medidor de variação de volume de água que entra e sai do corpo de prova. Se a válvula de drenagem estiver fechada, nenhuma quantidade de água pode entrar ou sair do corpo de prova e o ensaio é do tipo não drenado (volume constante). O volume do corpo de prova permanecerá constante, mas a poro-pressão irá variar em função das deformações cisalhantes decorrentes das tensões cisalhantes impostas pelo carregamento carregamento não drenado. Se a válvula de drenagem estiver aberta e a poro-pressão permanecer constante, o carregamento é do tipo drenado. Haverá variação de volume do corpo de prova, com a água entrando ou saindo livremente do c.p. Como a poro-pressão permanece constante, a variação do estado de tensões efetivas é igual a variação do estado de tensões totais. A válvula de drenagem aberta não é garantia de que não haverá geração de excesso de poro-pressão devido às deformações cisalhantes impostas pelo carregamento, ou seja, que o carregamento será do tipo drenado. 1515 Para que o carregamento seja do tipo drenado, além da válvula de drenagem aberta, é necessário que a velocidade de carregamento seja compatível com a capacidade do solo de dissipar a poro-pressão gerada. Atenção!!! Se o medidor de variação de volume estiver aberto para a atmosfera, a poro- pressão é nula. Em geral é conveniente se trabalhar com uma contra-pressão aplicada ao corpo de prova. 1616Classificação dos ensaios de deformabilidade e resistência Não se dispõe de um equipamento de carregamento ideal capaz de aplicar um estado de tensões geral em que os planos principais de tensões e de deformações possam sofrer rotação ao longo do cisalhamento. A estratégia adotada em Mecânica dos solos é dispor de uma série de diferentes equipamentos, cada qual capaz de aplicar o carregamento de um modo particular. A primeira classe de equipamentos é aquela na qual as placas são rígidas, lisas, não sofrem rotação e que contam com membranas flexíveis. (a) as superfícies externas do corpos de prova são planos principais de tensões e de deformações. (b) os planos principais de tensões e de deformações coincidem e não podem sofre rotação ao longo do carregamento. Nesse equipamentos: 1717 sa, sb e sc são tensões principais Para corpo de prova cilíndrico: tensão axial (sa) e tensão radial (sr). No ensaio triaxial verdadeiro as três tensões podem variar de forma independente. No ensaio de compressão hidrostática (ou isotrópica) todas as tensões são iguais. Os demais casos são intermediários entre esses dois casos extremos. 1818A segunda classe de equipamentos para ensaios de resistência: ensaios de cisalhamento. As placas de carregamento são rugosas e podem rotacionar. Portanto, as superfícies externas do corpo de prova não são planos principais de tensões e nem planos principais de deformações. Cisalhamento direto e cisalhamento simples: corpo de prova sob estado plano de deformação. Cisalhamento por torção (“ring shear test”): seção transversal anelar e deformação radial nula. Permite grandes deformações. Em nenhum desses ensaios o estado tensional pode ser definido. Cisalhamento direto: apenas parâmetros de resistência 1919 Ensaio de adensamento edométrico Falar de forma geral do ensaio edométrico – item 5.8 As placas de topo e base e o anel lateral não sofrem rotação. Com isso, as faces do c.p. são planos principais de deformação. O anel lateral é admitido liso e, portanto, as faces do c.p. são planos principais de tensão. Discos de pedra porosa no topo e na base do c.p. e anel lateral impermeáveis, fazendo com que o fluxo seja unidimensional. Aplicam-se cargas verticais (Fv) no topo do c.p. em estágios de carregamento, calculando-se a tensão vertical como: sv = Fv / A, onde A é a área da superfície horizontal do c.p. Obtenção de parâmetros de compressibilidade e de adensamento sob condição edométrica (er = 0). Disco de corpo de prova (normalmente de altura de 2cm e diâmetro de 7cm), contido por um anel metálico rígido, er = 0, estado de deformação unidimensional. São obtidas medidas da deformação vertical do c.p. ao longo do tempo em cada estágio de carregamento. 2020 Existe também o ensaio de deformação controlada, ensaio CRS (constant rate of strain). O ensaio mais comum é de tensão controlada e, normalmente, não se obtêm medidas de poro-pressão. No ensaio CRS, impõe-se uma velocidade de deformação constante e são obtidas medidas de força vertical (calculando-se a tensão vertical total) e de poro-pressão (calculando a tensão vertical efetiva). 2121 Corpo de prova prismático (normalmente 60cm de lado e altura de 25cm). Corpo de prova confinado lateralmente em uma caixa metálica secionada segundo um plano horizontal. As duas partes são forçadas a cisalharem segundo um plano horizontal. Impõe-se um deslocamento relativo entre as duas partes. O plano de ruptura é imposto. Não é um ensaio nem de tensão controlada e nem de deformação controlada. Pedras porosas no topo e na base. Obtenção da envoltória de ruptura (parâmetros de resistência). Não se presta à obtenção de parâmetros de deformabilidade. Ensaio de cisalhamento direto 2222 O ensaio pode ser realizado na condição seca ou na condição submersa. Existe drenagem mas não há controle da drenagem. Não há medição de poro-pressão. As tensões só podem ser determinadas no plano de ruptura. Não é possível construir o círculo de Mohr e o estado de tensões não pode ser determinado. Não é possível determinar as deformações em nenhum elemento do corpo de prova Obtêm-se medidas da força necessária para promover o deslocamento relativo entre as duas partes, deslocamento horizontal relativo e deformação vertical no centro do topo. Ensaio triaxial de compressão axial (sobs3 constante) 2323 Considerações iniciais Permitem determinar: (a) Envoltória de ruptura (parâmetros de resistência) e (b) Relação tensão-deformação (parâmetros de deformabilidade), simulando as condições de carregamento que o solo sofrerá no campo (drenado ou não drenado) e para o nível de tensões ao qual o solo será submetido no campo. Esquema do ensaio de compressão triaxial 2424 a) Corpo de prova cilíndrico, com relação H:D = 2:1, é posicionado sobre um pedestaldentro de uma câmara cilíndrica. Diâmetros comuns: 38, 50, 70 e 100mm. Câmara preenchida com fluido de confinamento. Aplicação de tensão confinante (sc) através do fluido de confinamento. Drenagem (medição de DV) pelo topo. b) Pedras porosas no topo e na base. Poro-pressão medida na base. c) Membrana de látex envolta do c.p. Aplicação de carregamento axial através do pistão (Ds1). Os planos horizontal e vertical são planos principais. Bureta graduada Célula de carga Câmara triaxial Corpo de prova Transdutor de poropressão Viga da prensa Transdutor de deslocamento Prensa triaxial Pistão Haste da prensa 2525 Fases do ensaio de compressão triaxial 2626 De uma forma geral, as fases do ensaio são: (a) Moldagem do corpo de prova; (b) Montagem do ensaio (posicionamento do c.p. na câmara, colocação da membrana de látex, pedras porosas, top cap e etc....); (c) Saturação do corpo de prova e verificação (DV do c.p. medido pela quantidade de água que sai ou entra no c.p.); (d) Aplicação da tensão de confinamento hidrostática (sc); (e) Adensamento hidrostático (ou isotrópico) sob sc (pode ser efetuado ou não); (f) Aplicação de carregamento axial através do pistão (tensão desviadora sd) por tensão controlada ou deformação controlada (com a drenagem aberta ou fechada). 2727Moldagem do corpo de prova e montagem do ensaio Tipos de ensaio de compressão triaxial 2828 Os tipos mais comuns de ensaios de compressão triaxial são: (a) Ensaio adensado drenado (Consolidated Drained - CD); (b) Ensaio adensado não drenado (Consolidated Undrained - CU); (c) Ensaio não adensado e não drenado (Unconsolidated Undrained - UU). Ensaio adensado hidrostaticamente e cisalhado de forma drenada por compressão axial (CIDc) Exemplo de aplicação Ladd (1971) 2424 Aterro construído muito lentamente em camadas sobre um depósito de argila mole. 3030Procedimento após a etapa de saturação do corpo de prova 1) Aplica-se um acréscimo no estado de tensões hidrostático (Dsc): Já que DV=0 (drenagem fechada e solo saturado) e não tem distorção (estado de tensões hidrostático e solo isotrópico): 2) Abre-se a drenagem dando início ao adensamento hidrostático: Ao longo do adensamento: Em diferentes instantes de tempo (t), mede-se: (a) A variação de volume (DV) do c.p. pela quantidade de água que sai do c.p; (b) O excesso de poro-pressão (Dua) pelo transdutor de poro-pressão. Quando ,“fim” do adensamento primário: Plota-se a curva ev x t (escala log.), onde: volume inicial do c.p. 0 31313) Mantendo-se a drenagem aberta, com o pistão encostado no “top cap”, liga-se a prensa dando início a fase de cisalhamento drenado: Atenção: A velocidade de deslocamento da prensa é calculada para que seja garantido que o cisalhamento seja de fato drenado. Ao longo do cisalhamento drenado: e Em diferentes instantes de tempo (t), mede-se: (a) Deformação axial (DH) do c.p. pelo transdutor de deslocamento (LVDT); (b) Deformação volumétrica (DV) do c.p. pela quantidade de água que sai (ou entra) do c.p; (c) A força no pistão (Fa) pelo transdutor de força (célula de carga). Para cada instante de tempo (t), calcula-se: (a) Deformação axial específica (ea): Variação de altura do c.p. em relação a H0 Altura do c.p. no início do cisalhamento 3232(b) Deformação volumétrica específica (ev): Variação de volume do c.p. em relação a V0 V0: Volume do c.p. no início do cisalhamento (e) Tensão desviadora (sd): (c) Área da seção transversal (A): Força na célula de carga Área da seção transversal (f) Tensão principal maior total (s1) e tensão principal maior efetiva (s’1) : Como: então: H0: Altura do c.p. no início do cisalhamento Volume do c.p. no início do cisalhamento (d) Deformação radial específica (er): Área (A) Raio (r) r0: Raio do c.p. no início do cisalhamento 3333Resultados e parâmetros obtidos Areias fofas e argilas normalmente adensadas O caminho de tensões efetivas é paralelo ao caminho de tensões totais. Resultado de um corpo de prova submetido a s3c Como Dus = 0 (cisalhamento drenado), então: 3434 Três corpos de prova A, B e C do mesmo solo submetidos a: A: s3c= 1 u.t. B: s3c= 2 u.t. C: s3c= 3 u.t. sdf é proporcional a s3c : Envoltória passa pela origem. Traça-se a envoltória tangente aos círculos e obtêm-se o ângulo de atrito efetivo (f’). No plano p, p’ x q, q’, a envoltória tem inclinação a’. (a) Parâmetros de resistência Areias fofas e argilas normalmente adensadas 3535 Argilas sobreadensadas Três corpos de prova A, B e C, carregados para a mesma tensão s3c = 6 u.t. (por exemplo) e descarregados para a tensões diferentes de: A: s3c= 1 u.t. e OCR = 6 B: s3c= 2 u.t. e OCR = 3 C: s3c= 3 u.t. e OCR = 2 3636 (b) Parâmetros de deformabilidade (b.1) Módulo de elasticidade longitudinal drenado (E’): Atenção: Os módulos de deformabilidade variam com o nível de tensões. Estes são determinados dentro da faixa de tensões de interesse. (b.2) Coeficiente de Poisson drenado (n’) (b.3) Módulo Cisalhante (G) = Ensaio adensado hidrostaticamente e cisalhado de forma não drenada por compressão axial (CIUc) 3737 Exemplos de aplicação Ladd (1971) Aterro construído por etapas. Construção rápida da etapa 2 após o adensamento do depósito de solo mole sob a etapa 1. 3838Procedimento 1) Aplicação do estado de tensões hidrostático (s3c): Igual ao ensaio CD 2) Adensamento hidrostático sob (s3c) : Igual ao ensaio CD 3) Fecha-se a drenagem e, com o pistão encostado no “top cap”, liga-se a prensa dando início a fase de cisalhamento não drenado Ao longo do cisalhamento não drenado: e Em diferentes instantes de tempo (t), mede-se: (a) A deformação axial (DH) do c.p. pelo transdutor de deslocamento (LVDT); (b) O excesso de poro-pressão (Dus) pelo transdutor de poro-pressão; (c) A força no pistão (Fa) pelo transdutor de força (célula de carga). Atualmente, o ensaio CIU é quase sempre feito com medição de poro-pressão. 3939Para cada instante de tempo (t), calcula-se: (a) Deformação axial específica (ea): Altura do c.p. no início do cisalhamento (b) Área da seção transversal (A): Como ev é nulo (não drenado): Volume do c.p. no início do cisalhamento (c) Tensão desviadora (sd): Força no pistão Área da seção transversal (d) Tensão principal menor efetiva (s’3) : (e) Tensão principal maior total (s1) e tensão principal maior efetiva (s’1) : e e Variação de altura do c.p. em relação a H0 4040Resultados e parâmetros obtidos Argilas normalmente adensadas Resultado de um corpo de prova submetido a um dado s3c Como Dus > 0 (cisalhamento não drenado) então: 0D su CMTE afastado do CMTT de uma distância de Dus. CTE afastado CTT de uma distância de Dus. Resultados e parâmetros obtidos (a) Parâmetros de resistência Três corpos de prova A, B e C do mesmo solo submetidos a: A: s3c= 1 u.t. B: s3c= 2 u.t. C: s3c= 3 u.t. sdf é proporcional a s3c, então as envoltórias em termos de TE e em termos de TT passam pela origem. Determina-se: Ângulo de atrito efetivo (f’); Ângulo de atrito total (f); Resistência não drenada (Su) normalizada em relação a tensão de adensamento: 4141 Argilas normalmente adensadas 4242Resultados e parâmetros obtidos (b) Parâmetros de deformabilidade (b.1) Módulo de Elasticidade não drenado (Eu): (b.2) Módulo Cisalhante (G) Como: Então: Atenção: Os módulos de deformabilidade variam com o nível de tensões. Eles são determinados dentro da faixa de tensões de interesse. = Ensaio não adensado não drenado (UU) Exemplo de aplicação Ladd (1971) 4343 Aterro construído rapidamente e em uma única etapa sobre um depósito de argila mole Ensaio não adensado não drenado (UU) Procedimento 4444 1) Aplicação do estado de tensões hidrostático (s3c): Igual aos ensaios CIDc e CIUc 2) Não tem fase adensamento hidrostático O ensaio UU é comumente feito sem medição de poro-pressão. 3) Com o pistão encostado no “top cap”, liga-se a prensadando início a fase de cisalhamento não drenado Em diferentes instantes de tempo (t), mede-se: (a) A deformação axial (DH) do c.p. pelo transdutor de deslocamento (LVDT); (b) A força no pistão (Fa) pelo transdutor de força (célula de carga). 4545Para cada instante de tempo (t), calcula-se: (a) Deformação axial específica (ea): (b) Área da seção transversal (A): Como ev é nulo (não drenado): Volume do c.p. no início do cisalhamento (c) Tensão desviadora (sd): Força no pistão Área da seção transversal (d) Tensão principal maior total (s1): Variação de altura do c.p. em relação a H0 = = Resultados e parâmetros obtidos 4646 Ao aplicar-se s3c com a drenagem fechada: Du = s3c Solo saturado e drenagem fechada Não há variação de volume Estado de tensões hidrostático e solo isotrópico Não há distorção Não há variação de volume e nem distorção Não há variação do ETE Consequência: Para qualquer s3c aplicado, o solo parte do mesmo ETE no início do cisalhamento, e rompe com o mesmo ETE. Portanto, Su medido é o mesmo. Obtêm-se: Su