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MECÃNICA DOS SOLOS 01 - aula 08 - Resistencia ao cisalhamento das areias

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RESISTÊNCIA DAS AREIAS
Comportamento típico das areias
	Nesta aula será estudada a resistência de areias puras ou com teor de finos muito pequeno (menos de 12%), cujo comportamento é determinado pelo contato entre os grãos minerais, geralmente quartzo, de diâmetro superior a 0,05mm. Na ciência Mecânica dos Solos, a expressão areia se refere a materiais granulares com reduzida porcentagem de finos que não interferem significativamente no comportamento do conjunto.
	Como as areias são bastante permeáveis, nos carregamentos a que elas ficam submetidas em obras de engenharia, há tempo suficiente para que as pressões neutras devidas ao carregamento se dissipem. Por esta razão, a resistência das areias é quase sempre definida em termos de tensões efetivas. Na presente aula, estudar-se-á o comportamento das areias em ensaios de compressão triaxial, do tipo adensado drenado, CD.
Areias Fofas
	Ao ser feito o carregamento axial, o corpo de prova apresenta uma tensão desviadora que cresce lentamente com a deformação, atingindo um valor máximo só para deformações relativamente altas, da ordem de 6 a 8%. Aspectos típicos de curvas tensão-deformação serão apresentados na figura 01 (a), que mostra também que ensaios realizados com tensões confinantes diferentes apresentam curvas com aproximadamente o mesmo aspecto, podendo-se admitir, numa primeira aproximação, que as tensões sejam proporcionais à tensão confinante do ensaio.
 Areias Fofas Areias Compactas
Resultados típicos de ensaios de compressão triaxial em areias:
(a) (b) (c) areias fofas;
(d) (e) (f) areias compactas.
Figura 01
Areias Fofas
	Ao se traçar os círculos de Mohr correspondentes às máximas tensões desviatórias (que correspondem à ruptura), obtêm-se círculos cuja envoltória é uma reta passando pela origem, pois as tensões de ruptura foram admitidas proporcionais às tensões confinantes. A resistência da areia fica definida pelo ângulo de atrito interno efetivo, como se mostrou na figura 01 (c) anterior.
	As medidas de variação de volume durante o carregamento axial indicam uma redução de volume, como apresenta a figura (b), sendo que, para pressões confinantes maiores, as diminuições de volume são um pouco maiores.
Areias compactas
	A tensão desviadora cresce muito mais rapidamente com as deformações, até atingir um valor máximo, sendo este valor considerado como a resistência máxima ou resistência de pico. Nota-se, por outro lado, que atingida esta resistência máxima, ao continuar a deformação do corpo de prova, a tensão desviadora decresce lentamente até se estabilizar em torno de um valor que é definido como a resistência residual.
Figura 01 (d)
	Os círculos representativos do estado de tensões máximas definem a envoltória de resistência. Como, em primeira aproximação, as resistências de pico são proporcionais às tensões de confinamento dos ensaios, a envoltória a estes círculos é uma reta que passa pela origem, e a resistência de pico das areias compactas se expressa pelo ângulo de atrito interno correspondente.
Figura 01 (f)
Areias compactas
	Por outro lado, pode-se representar também os círculos correspondentes ao estado de tensões na condição residual. Estes círculos, novamente, definem uma envoltória retilínea passando pela origem. O ângulo de atrito correspondente, chamado ângulo de atrito residual, é muito semelhante ao ângulo de atrito desta mesma areia em estado fofo, pois as resistências residuais são da ordem de grandeza das resistências máximas da mesma areia no estado fofo. Figura 01 (f)
	Com relação à variação de volume, observa-se que os corpos de prova apresentam, inicialmente, uma redução de volume, mas, ainda antes de ser atingida a resistência máxima, o volume do corpo de prova começa a crescer, sendo que, na ruptura, o corpo de prova apresenta maior volume do que no início do carregamento. Figura 01 (e)
Areias compactas
O entrosamento dos grãos nas areias compactas
	
Índice de vazios crítico das areias
	Foi visto que uma areia diminui de volume ao ser carregada axialmente quando se encontra fofa, mas se dilata, nas mesmas condições, quando se encontra no estado compacto. A figura 02 representa resultados de ensaios de compressão triaxial sobre corpos de prova de uma areia moldada com quatro índices de vazios diferentes, com a mesma tensão confinante. 
	
Índice de vazios crítico das areias
	No exemplo considerado, dois corpos de prova apresentavam contração e dois apresentavam dilatação na ruptura. Deve existir um índice de vazios no qual o corpo de prova não apresenta nem diminuição nem aumento de volume por ocasião da ruptura. Este índice de vazios é definido como índice de vazios crítico da areia. Se a areia estiver com um índice de vazios menor do que ele, ela precisará se dilatar para romper; se o índice de vazios for maior do que o crítico, a areia romperá se comprimindo.
Figura 02
Índice de vazios crítico das areias
	Na figura 03, está indicada a variação do índice de vazios dos ensaios apresentados anteriormente. Nota-se que após ruptura, todos os corpos de prova tendem ao mesmo índice de vazios, que é o índice de vazios críticos. As partículas de areia fofa se alojaram em vazios existentes (reduzindo-se o índice de vazios) e passaram a escorregar e rolar entre si, mantendo, na média, o mesmo índice de vazios. Nas areias compactas, vencido o entrosamento, e com a criação de maior volume de vazios, a situação passa a ser semelhante à das fofas.
Figura 03
Índice de vazios crítico das areias
	A importância da definição do índice de vazios crítico vem do fato de que o comportamento das areias, se saturadas e eventualmente carregadas sem possibilidade de drenagem, é extremamente diferente conforme a areia esteja com índice de vazios abaixo ou acima do índice de vazios crítico. Carregamentos sem possibilidade de drenagem podem ocorrer, principalmente em areias finas, de menor coeficiente de permeabilidade, quando a solicitação é dinâmica, como, por exemplo, as devidas a tremores de terra ou ao impacto da queda de um avião nas proximidades de uma edificação (hipótese obrigatória no projeto de fundações de usinas nucleares).
Índice de vazios crítico das areias
	Quando uma areia se encontra com índice de vazios inferior ao índice de vazio crítico, ao ser solicitada, ela tende a se dilatar. A dilatação, no caso de haver drenagem, faz-se acompanhada de penetração de água nos vazios. Se não houver tempo para que isso ocorra, a água fica sob uma sobre-pressão negativa (de sucção), do que resulta um aumento da tensão efetiva e, consequentemente, um aumento de resistência. Entretanto, se a areia se encontra com um índice de vazios maior do que o crítico, ao ser carregada, ela tende a se comprimir, expulsando a água de seus vazios. Não havendo tempo para que isto ocorra, a água fica sob pressão positiva, diminuindo a tensão efetiva e, consequentemente, reduzindo significativamente a resistência. As rupturas de areias nestas condições costumam ser drásticas, pois as pressões neutras podem atingir valores tão elevados que a areia se liquefaz.
Variação do ângulo de atrito com a pressão confinante
	Na apresentação da resistência das areias sob pressões confinantes diferentes, afirmou-se que a máxima tensão desviadora é proporcional à tensão confinante de ensaio. Ensaios realizados com bastante precisão revelam que os diversos círculos de Mohr na ruptura conduzem a envoltórias de resistência curvas, como apresentados abaixo:
Figura 04
Ângulos de atrito típicos de areias
	Para a mesma tensão confinante, o ângulo de atrito depende da compacidade da areia, pois é ela que governa o entrosamento entre as partículas. Como as areias têm intervalos de índices de vazios bem distintos, os ângulos de atrito geralmente são referidos à compacidade relativa das areias. Resultados experimentais mostram que o ângulo de atrito de uma areia, no seu estado mais compacto, é da ordem de 7 a 10 graus maior do que o seu ângulo de atrito no seu estado mais fofo.
	
Ângulos de atrito típicos de areiasApresenta-se, a seguir, como as características que diferenciam as diversas areias influem na sua resistência ao cisalhamento:
Distribuição granulométrica
Formato dos grãos
Tamanho dos grãos
Resistência dos grãos
Composição mineralógica
Presença de água
Estrutura da areia
Envelhecimento das areias
Ângulos de atrito típicos de areias
Distribuição Granulométrica
Ângulos de atrito típicos de areias
Formato dos grãos
Ângulos de atrito típicos de areias
Tamanho dos grãos
	
	Ao contrário do que se julga comumente, o tamanho das partículas, sendo constantes as outras características, pouca influência tem na resistência das areias.
Ângulos de atrito típicos de areias
Resistência dos grãos.
	
	A resistência das partículas que constituem a areia interfere na resistência a areia pois, embora o processo de cisalhamento da areia seja um processo predominantemente de escorregamento e rolagem dos grãos entre si, se os grãos não resistirem às forças a que estão submetidos e se quebrarem, isto se refletirá no comportamento global da areia.
Ângulos de atrito típicos de areias
Composição mineralógica.
	
	Embora existam poucas investigações sobre o assunto, pouca influência é atribuída à composição mineralógica dos grãos, além de sua influência na resistência dos grãos.
Ângulos de atrito típicos de areias
Presença de Água
	De um modo geral, o ângulo de atrito de uma areia saturada é aproximadamente igual ao da areia seca, ou só um pouco menor, a menos do caso de areias com grãos muito irregulares e fissurados, nas quais a água reduz a resistência dos cantos da partícula, com os reflexos vistos acima ao se estudar o efeito da resistência dos grãos.
	A presença de água, em condições de não saturação, cria uma situação em que meniscos de interfaces ar-água provocam a existência de uma pressão neutra negativa na água; é a pressão de sucção. Esta tensão provoca uma tensão efetiva e a ela corresponde um ganho de resistência. Este ganho de resistência não só é temporário (desaparece com a saturação ou a secagem), como tem pequeno valor e pouco influi na resistência total, a não ser para pressões confinantes muito pequenas.
Ângulos de atrito típicos de areias
Estrutura da areia.
	
	A disposição relativa dos grãos de uma areia não é isotrópica e, em consequência, seu comportamento não é o mesmo em todas as direções. Sob o ponto de vista de ângulo de atrito, esta anisotropia é de pequeno valor, Por outro lado, podem existir dois corpos de prova com o mesmo índice de vazios mas com as partículas dispostas de maneiras diferentes. A elas corresponderiam diferentes resistências, mas as diferenças só seriam sensíveis em casos muito especiais, de partículas muito alongadas.
Ângulos de atrito típicos de areias
Envelhecimento das areias.
	
	A experiência tem mostrado que uma areia que se encontra no seu estado natural por muitos anos ou séculos apresenta uma deformabilidade muito menor do que quando revolvida e recolocada no mesmo índice de vazios. Da mesma forma, um aterro de areia apresenta, após alguns anos, uma rigidez maior do que imediatamente ou pouco tempo depois de construído. Este aumento de rigidez ocorre sem variação de volume e resulta da interação físico-química entre as partículas.
	Este fenômeno indica que ensaios de compressão triaxial com areias remoldadas (e é quase sempre assim que se ensaia, pois é extremamente difícil obter amostras indeformadas de areias), indicam módulos de elasticidade muito menores do que os correspondentes ao estado natural. Com o envelhecimento, aumenta a rigidez, mas não a resistência à ruptura, porque quando esta ocorre, as ligações entre partículas já se desfizeram.
Ângulos de atrito típicos de areias
	Da análise feita, verifica-se que os fatores de maior influência na resistência ao cisalhamento das areias são a distribuição granulométrica, o formato dos grãos e a compacidade. Em função destes fatores, apresentam-se na tabela abaixo, valores típicos de ângulos de atrito, para tensões de 100 a 200 kPa, que é a ordem de grandeza das tensões que ocorrem em obras comuns de engenharia civil.

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