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GABRYEL RODRIGUES PEREIRA LEITE PESQUISA: RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO EM SOLOS. Patos-PB 2025 1. DEFINIÇÕES A resistência ao cisalhamento dos solos é a capacidade que o solo apresenta de resistir a tensões tangenciais antes de ocorrer a ruptura. Esse conceito é fundamental na Mecânica dos Solos e na Engenharia Geotécnica, pois os solos constituem o meio de apoio e contenção de praticamente todas as obras civis, como fundações, taludes, aterros e muros de arrimo. Dessa forma, compreender a resistência ao cisalhamento é essencial para garantir a estabilidade e segurança das estruturas. Segundo Pinto (2006), a resistência ao cisalhamento resulta da combinação de dois principais mecanismos: ● Atrito entre partículas, predominante em solos granulares (areias e cascalhos), associado ao rearranjo relativo dos grãos. ● Coesão, que ocorre principalmente em solos finos (argilas e siltes), relacionada às forças de atração físico-químicas entre partículas e à sucção capilar em condições não saturadas. Já Das (2011) complementa que a resistência ao cisalhamento pode ser definida como a tensão de cisalhamento máxima que o solo pode suportar sem sofrer deslocamentos irreversíveis ou ruptura. Esse comportamento depende de fatores como a natureza do solo (granulometria, mineralogia e estrutura), o índice de vazios, a umidade, o grau de saturação, além das condições de carregamento e drenagem. Em termos práticos, a resistência ao cisalhamento determina a capacidade de suporte e a estabilidade de maciços de solo. Para prever esse comportamento, diversos modelos matemáticos e critérios de ruptura foram desenvolvidos, sendo o mais consagrado o critério de Mohr-Coulomb, que relaciona a resistência ao cisalhamento com os parâmetros de coesão (c) e ângulo de atrito interno (φ). 2. PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA. A resistência ao cisalhamento dos solos é expressa, de forma clássica, pelo Critério de Mohr-Coulomb, segundo o qual a tensão cisalhante resistente (𝞃) em um plano de ruptura é dada por: 𝞃= c + σ′ ⋅ tanφ em que: 𝞃 = resistência ao cisalhamento; c = coesão do solo (kPa); σ′ = tensão normal efetiva atuante no plano de ruptura (kPa); φ = ângulo de atrito interno (°). De acordo com Pinto (2006), esses parâmetros (ccc e φ\varphiφ) não possuem um valor único e absoluto para cada solo, mas variam em função das condições de ensaio, do grau de saturação e do histórico de tensões aplicadas. Assim, o entendimento correto de cada parâmetro é essencial para a análise de estabilidade e projeto de fundações. 2.1 Coesão (c) A coesão corresponde à parcela da resistência ao cisalhamento que independe da tensão normal. Está associada a diferentes mecanismos, como: ● forças de ligação físico-químicas entre partículas finas (argilas); ● sucção capilar em solos parcialmente saturados; ● efeitos aparentes de intertravamento e cimentação. Em termos práticos, a coesão é significativa em solos finos argilosos, enquanto em solos granulares limpos (areias e cascalhos) tende a ser desprezível. 2.2 Ângulo de atrito interno (φ) O ângulo de atrito interno representa a resistência ao cisalhamento decorrente do atrito e do intertravamento entre as partículas sólidas. É um parâmetro fundamental em solos granulares, onde predomina o contato direto entre os grãos. Fatores que influenciam o valor de φ: ● forma e rugosidade dos grãos; ● densidade relativa do solo; ● histórico de tensões; ● presença de água (condições drenadas ou não drenadas). De modo geral, solos arenosos densos apresentam valores elevados de φ\varphiφ (35° a 45°), enquanto solos argilosos possuem valores menores (20° a 30°). 2.3 Tensões Efetivas Conforme Terzaghi (princípio das tensões efetivas), a resistência ao cisalhamento depende da tensão normal efetiva (σ′), definida por: σ′= σ − u onde: ● σ= tensão total aplicada; ● u = pressão neutra ou poro (pressão da água no interior dos vazios do solo). Das (2011) enfatiza que esse conceito é central para compreender o comportamento de solos saturados, visto que a presença de água reduz a parcela de tensão que efetivamente atua entre os grãos, influenciando diretamente a resistência ao cisalhamento. Assim, os parâmetros de resistência (c, φ e σ′) constituem a base para a modelagem e previsão do comportamento dos solos em situações de carregamento. A determinação precisa desses valores, por meio de ensaios laboratoriais ou de campo, é indispensável para a prática da engenharia geotécnica. 3. Círculo de Mohr e Critérios de Ruptura. Círculo de Mohr é uma representação gráfica das tensões atuantes em um ponto de um elemento de solo. Desenvolvido por Christian Otto Mohr, esse recurso geométrico permite visualizar a relação entre tensões normais (σ) e tensões cisalhantes (𝞃), facilitando a análise de estados de tensões e a determinação da condição de ruptura. Segundo Das (2011), qualquer estado plano de tensões pode ser representado por um círculo no plano cartesiano (σ, 𝞃), sendo que: ● o centro do círculo está localizado no eixo das tensões normais, na posição correspondente à tensão média ( ). σ1+σ3 2 ● o raio do círculo é igual à metade da diferença entre a tensão principal maior (σ1) e a tensão principal menor (σ3). A equação do círculo é dada por: (σ − σ1+σ3 2 ) 2 + 𝞃2 = ( σ1+σ3 2 ) 2 onde: σ1 = tensão principal maior; σ3 = tensão principal menor. 3.1 Critério de Ruptura O critério de ruptura em solos estabelece a condição na qual as tensões atuantes tornam-se suficientes para mobilizar a resistência máxima ao cisalhamento, levando o material ao colapso ou a deformações irreversíveis que configuram falha funcional. Em geotecnia, o modelo de referência é o critério de Mohr–Coulomb, formulado em termos de tensões efetivas, segundo o qual a tensão cisalhante no plano de ruptura atinge um valor limite dado por , em que c′ 𝞃 𝑓 = 𝑐' + σ′ 𝑛 ⋅ 𝑡𝑎𝑛φ' representa a coesão efetiva, a tensão normal efetiva ao plano, e φ′ o ângulo de σ′ 𝑛 atrito interno efetivo. A condição geométrica de ruptura, no diagrama (σ, ), é 𝞃 visualizada quando o círculo de Mohr do estado de tensões tangencia a envoltória linear de Mohr–Coulomb; esse contato indica que as tensões cisalhantes mobilizadas atingiram a capacidade resistente governada pelos mecanismos de atrito intergranular, intertravamento e eventuais ligações físico-químicas (Pinto, 2006; Das, 2011). A formulação em tensões efetivas é central porque a água nos vazios suporta parte das tensões totais; assim, a resistência real depende de , em que u é a σ′ = σ − 𝑢 pressão neutra. Em condições drenadas (tipicamente em areias ou em argilas carregadas lentamente), as variações de volume são efetivamente permitidas, as pressões neutras se dissipam e a ruptura é adequadamente descrita por c′ e φ′. Já em condições não drenadas (carregamento rápido em argilas saturadas), as deformações volumétricas ficam momentaneamente impedidas, gerando incrementos de u; nessa situação, o comportamento resistente costuma ser representado por um critério de tensão total do tipo , conhecido como τ𝑓≈𝑠 𝑢 (𝑠 𝑢 ≈0) critério de Tresca na prática geotécnica: a falha ocorre quando a máxima tensão cisalhante atinge a resistência não drenada , equivalente, em compressão triaxial, 𝑠 𝑢 a . A escolha entre a descrição “efetiva” (Mohr–Coulomb) e a “total” σ1 − σ3 = 2𝑠 𝑢 (Tresca) não é apenas formal: ela decorre da condição de drenagem, do tempo de carregamento e da saturação, que governam a geração e a dissipação de pressões neutras (Das, 2011). Embora a envoltória de Mohr–Coulomb seja linear e útil para projeto, diversos solos apresentam não linearidade: a resistência cresce com a confinante efetiva a σ’ 3 taxas diferentes em regimes de baixa e alta tensão, de modo que a envoltóriareal é, com frequência, curva. Na prática, adota-se um segmento linear representativo do intervalo de tensões relevante ao problema (por exemplo, ao nível de tensões esperado em uma fundação específica), evitando extrapolações. Em areias limpas, costuma-se admitir e tratar a resistência essencialmente por φ′; em argilas, c′ 𝑐′≈0 pode refletir tanto ligações estruturais (cimentação) quanto efeitos aparentes decorrentes do recorte linear de uma envoltória curvilínea (Pinto, 2006). Esse cuidado conceitual é importante para não atribuir “coesão verdadeira” a solos onde o mecanismo predominante é friccional. Outro aspecto crucial é distinguir resistência de pico, crítica e residual. Em areias densas e argilas superconsolidadas, a resposta pode exibir endurecimento até um pico, seguido de amolecimento pós-pico, associado a dilatância ou à perda de estrutura. A resistência em estado crítico corresponde à situação de cisalhamento contínuo sob volume constante, na qual a taxa de dilatação se anula e o solo mantém deformação com tensões estáveis; o atrito associado é frequentemente denotado por . Em argilas sensíveis e em materiais com minerais lamelares φ 𝑐𝑠 (p.ex., esmectitas), a persistência de grandes deformações pode conduzir a uma resistência residual significativamente inferior à de pico, devido ao reorientamento das partículas e ao cisalhamento ao longo de superfícies polidas; essa distinção tem implicações diretas em análises de reescorregamento de taludes e na definição de superfícies de deslizamento pré-existentes (Das, 2011). A rota de tensões até a ruptura oferece uma leitura complementar. Em termos invariantes, usando p′=(σ1′+σ2′+σ3′)/3 e como medida de desvio (no triaxial, 𝑞 ), muitos solos alcançam a falha aproximando-se de uma linha de 𝑞 = σ1′ − σ3′ estado crítico , em que relaciona-se a φ′ por . Essa ótica, 𝑞 = 𝑀 𝑝′ 𝑀 𝑀 = 6𝑠𝑖𝑛 φ′ 3−𝑠𝑖𝑛 φ′ típica da Mecânica do Estado Crítico e dos modelos do tipo Cam-Clay, explica por que argilas normalmente adensadas tendem a contrair (gerar +u sob carregamento não drenado), reduzindo σ′ e precipitando a ruptura, enquanto argilas superadensadas podem dilatar (gerar −u), elevando momentaneamente a resistência aparente. A posição inicial do estado no espaço —função do (𝑝′, 𝑞) histórico de tensões e do índice de vazios—controla tanto o valor de pico quanto a proximidade do regime crítico (Pinto, 2006; Das, 2011). Fatores de anisotropia e estrutura também modulam o critério efetivo observado. Depósitos naturais herdam orientações preferenciais e cimentações locais que fazem a resistência depender do plano de cisalhamento e da direção de aplicação das tensões principais. A taxa de deformação e a temperatura podem influenciar argilas sensíveis por efeitos viscosos (creep e thixotropia), alterando em 𝑠 𝑢 condições não drenadas. Por isso, critérios simples como Mohr–Coulomb e Tresca devem ser vistos como modelos de projeto—convenientes, robustos e calibráveis—, mas que, quando necessário, podem ser refinados por envoltórias não lineares, por critérios Drucker–Prager (aproximação lisa em invariantes) ou por formulações de estado crítico, sobretudo quando o problema envolve grandes deformações, ciclos de carga ou faixas muito amplas de tensões (Das, 2011). Em síntese, o critério de ruptura utilizado no projeto deve ser coerente com o tipo de solo, o estado (índice de vazios, saturação e OCR), a condição de drenagem no tempo de carregamento e a faixa de tensões relevante. Em problemas drenados ou em análises de longo prazo, emprega-se tipicamente Mohr–Coulomb em tensões efetivas com (c′,φ′) obtidos de ensaios apropriados; já em verificações de curto prazo em argilas saturadas, adota-se critérios não drenados em tensões totais baseados em . A seleção correta do critério e dos parâmetros—bem como a 𝑠 𝑢 distinção entre resistências de pico, crítica e residual—é determinante para estimativas seguras de capacidade de carga, empuxos e estabilidade de taludes (Pinto, 2006; Das, 2011). 4. ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO EM SOLOS A determinação da resistência ao cisalhamento dos solos é feita, em grande parte, por meio de ensaios de laboratório que simulam condições de carregamento e drenagem. Esses ensaios buscam estabelecer parâmetros fundamentais, como coesão c, ângulo de atrito interno φ, resistência não drenada e módulo de 𝑠 𝑢 deformabilidade. Os métodos mais empregados são o ensaio de compressão simples, o ensaio de cisalhamento direto e o ensaio de compressão triaxial, este último em suas diferentes modalidades (CD, CU e UU). 4.1 ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES O ensaio de compressão simples (também conhecido como Unconfined Compression Test – UCS) é utilizado principalmente em solos coesivos, como argilas. O procedimento consiste em submeter um corpo de prova cilíndrico, sem confinamento lateral, a um carregamento axial de compressão até a ruptura. A tensão axial máxima suportada pelo solo é denominada resistência à compressão simples, que equivale a duas vezes a resistência não drenada . 𝑠 𝑢 Esse ensaio apresenta simplicidade e baixo custo, mas só é aplicável a solos com certa coesão, já que materiais granulares não conseguem manter a forma sem confinamento. Além disso, não é possível controlar as condições de drenagem, o que limita sua utilização em análises mais complexas. No Brasil, o procedimento é descrito na ABNT NBR 5739:2018 (embora voltada para concreto, sua metodologia é adaptada em mecânica dos solos), e internacionalmente pela ASTM D2166/D2166M-16 – Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil. 4.2 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO O ensaio de cisalhamento direto é um dos métodos mais tradicionais para a determinação da resistência ao cisalhamento. O corpo de prova, geralmente cilíndrico ou cúbico, é colocado em uma caixa bipartida que permite o deslocamento relativo entre suas duas metades. Aplica-se uma tensão normal constante sobre a amostra, enquanto uma força horizontal progressiva provoca o deslocamento até a ruptura. Esse ensaio fornece diretamente o valor da tensão cisalhante e da deformação correspondente, permitindo a construção da envoltória de Mohr-Coulomb e a obtenção dos parâmetros de resistência c e φ. Apesar de sua simplicidade, apresenta limitações, como o plano de ruptura pré-definido pela caixa de cisalhamento, o que pode não representar fielmente as condições reais do solo no campo. A execução é regulamentada no Brasil pela ABNT NBR 12004:1990 – Solo – Determinação da resistência ao cisalhamento direto, enquanto em nível internacional é regida pela ASTM D3080/D3080M-11 – Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions. 4.3 ENSAIO DE COMPRESSÃO TRIAXIAL O ensaio triaxial é considerado o mais completo e versátil para determinação da resistência ao cisalhamento. O corpo de prova, geralmente cilíndrico, é envolvido por uma membrana de borracha e submetido a uma pressão confinante aplicada por meio de uma câmara triaxial cheia de fluido. Posteriormente, aplica-se um carregamento axial até a ruptura. A grande vantagem do ensaio triaxial é a possibilidade de reproduzir diferentes condições de drenagem e consolidação, de acordo com o tipo de carregamento ao qual o solo será submetido em campo. Com isso, é possível avaliar não apenas os parâmetros de resistência, mas também o comportamento tensão-deformação e o efeito da pressão neutra na ruptura. Existem três modalidades principais do ensaio triaxial: ● Triaxial Consolidado Drenado (CD): o solo é completamente consolidado sob a pressão confinante, e o carregamento é aplicado de forma suficientemente lenta para permitir a drenagem completa da água. Fornece parâmetros c′ e φ′ em termos de tensões efetivas. ● Triaxial Consolidado Não Drenado (CU): o soloé consolidado sob pressão confinante, mas o carregamento axial é aplicado sem drenagem. Permite a medição das pressões neutras durante o carregamento, sendo útil para análises de estabilidade a curto prazo. ● Triaxial Não Consolidado e Não Drenado (UU): o carregamento é aplicado sem consolidação prévia e sem drenagem, representando condições extremas e rápidas, como em taludes submetidos a carregamentos súbitos. No Brasil, o ensaio triaxial é descrito nas normas ABNT NBR 12023:2012 – Solo – Ensaio triaxial não consolidado e não drenado e ABNT NBR 12025:1990 – Solo – Ensaio de adensamento triaxial. Já no âmbito internacional, as normas aplicáveis são a ASTM D2850-15 (ensaio UU), a ASTM D4767-11 (ensaio CU) e a ASTM D7181-11 (ensaio CD). 5. IMPORTÂNCIA DE UMA PROSPECÇÃO GEOTÉCNICA E OBJETIVOS DA INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO A investigação geotécnica constitui uma das etapas mais importantes no desenvolvimento de projetos de engenharia civil, pois possibilita conhecer as condições do subsolo e prever o comportamento do maciço de solo ou rocha frente às solicitações a que será submetido. De acordo com Pinto (2006), a variabilidade dos solos, associada à sua natureza heterogênea e à dificuldade de caracterização apenas por observação visual, exige que a prospecção seja conduzida de forma criteriosa e sistemática. Das (2011) reforça que qualquer falha em reconhecer adequadamente as condições do terreno pode comprometer a segurança e a viabilidade econômica de uma obra, levando a recalques excessivos, rupturas de fundações ou instabilidade de taludes. A prospecção geotécnica torna-se necessária em praticamente todas as obras de engenharia de porte significativo, como edifícios de múltiplos andares, barragens, pontes, rodovias, ferrovias e obras de contenção, além de situações específicas em que a natureza do solo é desconhecida ou apresenta indícios de baixa resistência. Em linhas gerais, seus principais objetivos são: identificar os tipos de solos presentes, delimitar suas camadas e espessuras, determinar o nível d’água subterrâneo, obter parâmetros de resistência e deformabilidade, e fornecer subsídios para o dimensionamento seguro e econômico das fundações e demais estruturas. 5.1 ENSAIOS DE PROSPECÇÃO MAIS UTILIZADOS Dois dos métodos mais empregados em prospecção geotécnica são o SPT – Standard Penetration Test e o CPT – Cone Penetration Test, que apresentam características distintas, mas complementares. O SPT, normatizado no Brasil pela NBR 6484:2020 – Solo – Sondagens de simples reconhecimento com SPT – Método de ensaio, é amplamente utilizado em função de sua simplicidade e baixo custo. O ensaio consiste na cravação de um amostrador padrão no solo, por meio de golpes de um martelo padronizado, sendo registrado o número de golpes necessários para a penetração de 30 cm após uma cravação inicial de 15 cm. Esse número, denominado índice NSPT, constitui um parâmetro empírico de grande aplicação em engenharia geotécnica, permitindo correlações com a resistência do solo, a compacidade de areias e a consistência de argilas. As principais vantagens do SPT são sua ampla difusão, o acúmulo de dados comparativos em todo o território brasileiro e a obtenção de amostras deformadas que permitem a caracterização visual e tátil do solo. Contudo, suas limitações envolvem a baixa precisão, a dependência da habilidade do operador, a dificuldade de repetibilidade e a limitação em solos muito moles ou muito resistentes. Já o CPT, conhecido como ensaio de piezocone quando equipado com medição de poropressão (CPTu), é normatizado pela NBR 12069:1991 – Solo – Ensaio de penetração de cone in situ (CPT). Nesse ensaio, um cone metálico é cravado no solo a velocidade constante, registrando-se de forma contínua a resistência de ponta (qc) e a resistência lateral ao atrito (fs). Quando associado à medição da pressão neutra, obtém-se também a poropressão, ampliando significativamente a confiabilidade dos resultados. As principais vantagens do CPT residem na rapidez de execução, na obtenção de um perfil contínuo de resistência do solo e na maior precisão dos dados, especialmente em solos granulares, nos quais o SPT pode apresentar dispersão. Além disso, não depende da ação manual do operador e apresenta boa repetibilidade. Em contrapartida, suas desvantagens são o custo mais elevado, a necessidade de equipamentos especializados e a impossibilidade de coleta de amostras para análise laboratorial. Portanto, tanto o SPT quanto o CPT desempenham papéis essenciais em uma investigação geotécnica, sendo muitas vezes empregados de forma complementar. Enquanto o SPT se destaca pela tradição e pelo vasto acervo de dados correlacionáveis no Brasil, o CPT oferece informações mais detalhadas e contínuas sobre o perfil do subsolo. A escolha do método mais adequado depende das características da obra, dos recursos disponíveis e das condições específicas do terreno. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5739:2018 – Concreto – Ensaio de compressão simples de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 2018. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12004:1990 – Solo – Determinação da resistência ao cisalhamento direto. Rio de Janeiro, 1990. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12023:2012 – Solo – Ensaio triaxial não consolidado e não drenado (UU). Rio de Janeiro, 2012. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12025:1990 – Solo – Ensaio de adensamento triaxial (CD e CU). Rio de Janeiro, 1990. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6484:2020 – Solo – Sondagens de simples reconhecimento com SPT – Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2020. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12069:1991 – Solo – Ensaio de penetração de cone in situ (CPT). Rio de Janeiro, 1991. DAS, Braja M. Fundamentos de engenharia geotécnica. Tradução da 7. ed. americana. São Paulo: Cengage Learning, 2011. PINTO, Carlos de Souza. Curso básico de mecânica dos solos. 3. ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2006. 2.1 Coesão (c) 2.2 Ângulo de atrito interno (φ) 2.3 Tensões Efetivas 3.1 Critério de Ruptura 4.ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO EM SOLOS 4.1 ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES 4.2 ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO 4.3 ENSAIO DE COMPRESSÃO TRIAXIAL 5.IMPORTÂNCIA DE UMA PROSPECÇÃO GEOTÉCNICA E OBJETIVOS DA INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO 5.1 ENSAIOS DE PROSPECÇÃO MAIS UTILIZADOS